EP2520805A2 - Vorrichtung zum Bewegen eines Fluids - Google Patents

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EP2520805A2
EP2520805A2 EP20120163733 EP12163733A EP2520805A2 EP 2520805 A2 EP2520805 A2 EP 2520805A2 EP 20120163733 EP20120163733 EP 20120163733 EP 12163733 A EP12163733 A EP 12163733A EP 2520805 A2 EP2520805 A2 EP 2520805A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
stator
moving part
housing
synchronous motor
rotor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP20120163733
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2520805A3 (de
Inventor
Hartmut Davidson
Erwin Engel
Matthias Weinzierl
Jörg Zacharias
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Krones AG
Original Assignee
Krones AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Krones AG filed Critical Krones AG
Publication of EP2520805A2 publication Critical patent/EP2520805A2/de
Publication of EP2520805A3 publication Critical patent/EP2520805A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/18—Rotors
    • F04D29/22—Rotors specially for centrifugal pumps
    • F04D29/2205—Conventional flow pattern
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/18—Rotors
    • F04D29/22—Rotors specially for centrifugal pumps
    • F04D29/2261—Rotors specially for centrifugal pumps with special measures
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/18—Rotors
    • F04D29/22—Rotors specially for centrifugal pumps
    • F04D29/24—Vanes

Definitions

  • the present invention relates to a device for moving a fluid, comprising a moving part to set the fluid in motion, and a synchronous motor, wherein the moving part is directly driven by the synchronous motor and acts as its rotor.
  • Devices for moving fluids are used for example in the beverage industry.
  • a device may be a pump, an agitator or the like.
  • the DE 35 01 127 A1 shows a device for producing mixed drinks, in which one or more metering pumps are driven via a gear by an electric motor.
  • the motor is located outside the pumps.
  • Such a pump is thus operated externally, but with the problem arises that a drive shaft from the motor through the pump housing to an impeller, impeller or the like goes.
  • the use of mechanical seals is necessary to seal the pump housing from the engine.
  • the following documents show similar pumps, each with a drive shaft passing through the pump housing.
  • the DE 100 52 797 A1 shows an electric motor driven pump
  • the DE 195 05 543 A1 shows a centrifugal pump with a speed sensor
  • the EP 0 355 796 B1 shows a centrifugal pump with magnetically mounted shaft.
  • the DE 41 02 707 A1 shows, inter alia, an embodiment of a turbopump with magnetically stored impeller.
  • a turbopump with magnetically stored impeller.
  • stator windings which generate a rotating magnetic field by turning on and off according to the detected position of a contactless control commutator or commutator connected to each stator winding, which drives the impeller via permanent magnets mounted thereon.
  • a contactless control commutator or commutator connected to each stator winding, which drives the impeller via permanent magnets mounted thereon.
  • the DE 39 42 679 A1 shows, inter alia, embodiments of a mixing device comprising an agitator driven by an asynchronous linear motor.
  • the secondary part of the motor is firmly connected to the agitator.
  • Such a mixing device can do without mechanical seals when the secondary part is in the housing and the stirring member partially encloses.
  • an asynchronous motor is used here, the Induction currents in the secondary part can flow in such a way that a magnetic field can build up, whereby strong restrictions on its shape are necessary.
  • the secondary part since the secondary part partially encloses the stirring element, unwanted turbulences can form, which have a negative effect on the efficiency of the device.
  • the invention provides a device for moving a fluid, comprising a moving part for moving the fluid, and a synchronous motor, the synchronous motor comprising a stator having at least one stator coil and a rotor having at least one rotor magnet, wherein the moving part by the synchronous motor directly is drivable and acts as its runner.
  • the moving part can be driven directly, ie without gear, by the synchronous motor. Since the moving part acts as a rotor of the motor, a drive shaft falls away from the motor through a housing of the device to the moving part.
  • a synchronous motor is an AC motor in which the rotor (in the case of a rotary motor also called a rotor) has a permanent magnetic field. In contrast to an asynchronous motor, where the rotor magnetic field is generated by induction, no induction currents have to be taken into account here. This allows greater freedom in the formal design of the moving part.
  • a fluid may in this case be a liquid, in particular a beverage or a beverage component, a cleaning medium or a gas, in particular carbon dioxide.
  • the term "moving" may be a general in-motion displacement and / or in-motion holding of a fluid, in particular pumping, conveying, mixing, mixing and / or stirring.
  • the moving member may include one or more moving elements, such as wings, blades, blades, or the like, for transmitting kinetic energy to the fluid.
  • the moving part may be mounted on a shaft, axle or the like.
  • the moving part may comprise a hub.
  • At least one rotor magnet can be arranged in and / or on the moving part and / or the moving part can itself consist of permanent magnetic material and / or the moving part can be wholly or partly coated with permanent magnetic material.
  • the rotor magnets may each be permanent magnets or electromagnets. In particular, the majority of the rotor magnets may be either permanent magnets or electromagnets. In one embodiment, all rotor magnets may be permanent magnets. The synchronous motor is then permanently energized.
  • the rotor magnets can be incorporated under the surface of the moving part.
  • the surface of the moving part may comprise any material, for example stainless steel.
  • the material may comprise a different material than that of the rotor magnets.
  • the material from which the moving part is made, so may include stainless steel.
  • the device may comprise a housing which at least partially encloses the moving part. At least one stator coil may be disposed in or on the housing and / or disposed outside the housing and spaced therefrom.
  • the housing may partially or completely have an approximately cylindrical shape.
  • the housing may comprise a pipe segment or pot.
  • the moving part can rotate or move linearly in the approximately cylindrical part of the housing.
  • the stator coils can be arranged in and / or on the housing such that their stator magnetic field couples to the rotor magnets on and / or in the moving part such that the moving part is set in motion by the alternating stator magnetic field.
  • the housing can then be completed against the stator.
  • the moving part can be mounted in different ways in the housing, for example via a ball bearing on an axle or inner shaft, which is connected for example to the housing.
  • the stator may also be spaced from the housing and in particular not be attached to the housing or not be connected thereto.
  • the stator can also be mobile.
  • the stator coils may be mounted on the exterior of the housing or incorporated into the housing such that the interior surfaces of the housing comprise any material, such as stainless steel.
  • the material from which the housing is made may include, for example, stainless steel.
  • the housing may also have externally located pins around which the stator coils are wound.
  • the moving part may at least partially enclose the stator of the synchronous motor.
  • the stator can then be located in the housing.
  • the moving part may comprise a ring-shaped or cup-shaped part which at least partially encloses the stator.
  • This ring or cup-shaped part may be a hub.
  • On the outside of the annular or cup-shaped part may be moving elements for moving the fluid, which can rotate around the stator.
  • the synchronous motor can be operated by single- or multi-phase alternating current.
  • single-phase alternating current a corresponding machine for generating multi-phase alternating current can be omitted.
  • polyphase alternating current in particular three-phase alternating current (three-phase current), a higher efficiency can be achieved.
  • the at least one stator coil may comprise a number of separate windings corresponding to the number of phases of the alternating current. For single-phase alternating current, this may be a winding. In the case of three-phase current, these can be three separate windings, which are wound, for example, in alternating sequence. The windings can also be encapsulated.
  • An approximately cylindrical part of the housing may be wound with a corresponding number of windings, so that the moving part moves in the stator coil.
  • one or more traveling field windings are possible as stator coils.
  • the synchronous motor may be a rotary motor or a linear motor.
  • the device can be a rotary pump when using a rotary motor and a linear pump when using a linear motor.
  • the synchronous motor can be operated in two directions.
  • the conveying direction for example in a pipe, can be easily reversed.
  • the fluid can be slowed down as well.
  • the device may comprise a plurality of stator coils, wherein a rotor magnet during operation of the device describes a rotational path, a plurality of stator coils are arranged substantially in the same plane as the rotational path, and in particular substantially arranged on a concentric with the rotational path of the web.
  • stator coils are additionally arranged in and / or on the housing, ie as close as possible to the rotational path of one or more rotor magnets, then this configuration can achieve a maximum coupling of the rotor magnets to the magnetic field of the stator. This allows the moving part to generate a high torque.
  • the stator coils may be arranged substantially annularly, in particular on a circular path concentric with the axis of rotation of the moving part, around the movement part.
  • stator rings i. substantially annularly arranged stator coils, conceivable along the axis of rotation of the moving part.
  • stator in a plane conceivable, each concentric with each other and can have different radii. It may be advantageous if each stator ring has the smallest possible distance to at least one of the rotational paths of the rotor magnets.
  • the stator coil configuration can be adapted to the shape of the housing.
  • the stator coils may be arranged substantially on an elliptical path or along a polygon. This is advantageous if the housing has, for example, an elliptical or polygonal cross-section.
  • the moving member may be in the form of an impeller, an impeller, an impeller, a pot, a piston, a rotary piston, a worm, a worm shaft or a stirring blade.
  • a moving member of the moving member may then have the shape of a wing, a blade, a blade or the like.
  • the tubular or annular outer housing may be omitted.
  • the device may be a centrifugal pump, a worm, eccentric or rotary piston pump, a single or double acting piston pump or an agitator.
  • the moving part can in particular have the form of an impeller, an impeller or an impeller.
  • Impellers may here particularly be in the form of closed wheels, i. Wheels with support and cover discs, half-open wheels, i. Impellers with support disc but without cover disc, as well as open wheels, i. Impellers without wearing and cover disc, have.
  • the housing may be shaped such that the centrifugal pump is a radial or semi-axial pump. Other types of centrifugal pumps are also conceivable.
  • the moving part can in particular have the shape of a rotary piston, a worm or a worm shaft.
  • Other forms of positive displacement pumps are also feasible.
  • the moving part may in particular have the shape of a piston.
  • the device can be connected to one or more flow chambers.
  • the moving part may comprise one or more stirring blades.
  • the housing may partially or completely have an approximately cylindrical shape.
  • the housing may comprise a pot with a flat or rounded bottom.
  • At least one rotor magnet may be at least halfway from the axis of rotation with respect to an imaginary radial line from the axis of rotation to a point farthest from the axis of rotation of the moving part than the point.
  • One, several or all rotor magnets can have that spacing. Also, a spacing of at least 60%, 70%, 80% or 90% of the distance of that point is conceivable.
  • the rotor magnets may in particular be arranged on and / or in the movement elements of the movement part.
  • one, several or all rotor magnets can also be arranged as close as possible to the axis of rotation of the moving part. This can be advantageous if the moving part partially encloses the stator.
  • the rotor magnets may also be arranged in and / or on the hub of the moving part. This can also be advantageous if, for example, it would be too expensive to arrange the rotor magnets in the movement elements because they are too thin and attaching the rotor magnets to the surface of the movement elements is undesirable.
  • the device may comprise at least two rotor magnets, which are arranged opposite to each other in and / or on the moving part.
  • the device may comprise more than two rotor magnets, which are arranged in and / or on the moving part in a sequence such that adjacent rotor magnets are each opposite in polarity.
  • This configuration can be used in particular for a piston pump that can be driven by a linear motor.
  • a number of each juxtaposed magnets with opposite polarity can be located in and / or on the piston-shaped movement part.
  • This piston can be located, for example, in a partially or completely approximately cylindrical housing.
  • the housing may be wrapped with single or multi-phase windings over a certain length or may include one or more traveling field windings so that the piston can be moved along the housing by a linear motor.
  • the apparatus may include a frequency converter for driving the synchronous motor.
  • a frequency converter for driving the synchronous motor.
  • FIG. 1a shows a perspective broken view of a centrifugal pump 100 with a housing 101 and inner moving part 102 which is surrounded by a stator, in which case the entirety of the stator coils 103 is regarded as a stator.
  • the fluid is drawn through an inlet 105 into the pumping chamber 106 and then pumped by the rotation of the moving part 102 into the drain 107.
  • a fluid is here a gas or, in particular, a liquid.
  • the moving part 102 functions as a rotor of the synchronous motor, no drive shaft is necessary.
  • the housing 101 is here completed against the stator. There are therefore no seals or the like necessary.
  • the moving member 102 is driven gearless, which is why not only the space for a transmission can be saved, but the drive of the pump 100 can also demonstrate a very high efficiency.
  • FIG. 1b shows a section of the pump 100 along the axis of rotation of the moving part 102.
  • the moving part has here over eight wings 108 (see Figure 1c ) and a hub 109 mounted on an axle 110.
  • the moving part 102 thus rotates about the axis 110 during operation of the device.
  • a different number of vanes 108 is of course conceivable.
  • a permanent magnet 104 In the wings 108 is in each case a permanent magnet 104. However, it is also conceivable that not in each wing 108, a magnet 104 is located. It is also conceivable that several magnets 104 are located in some or all of the blades 108.
  • the surface of the moving part 102 may comprise any material, for example stainless steel. Alternatively, the magnets 104 may also be mounted on the surfaces of the wings 108.
  • the stator surrounds the moving part 102, it is advantageous to arrange the rotor magnets 104 in the wings 108 as far as possible from the axis 110 in order to achieve the strongest possible coupling to the magnetic field of the stator coils 103.
  • the magnets 104 are about a radial distance from the axis 110 of at least 75% of the distance a point on the edge of a wing 108, that is, a point on the wing 108 with a maximum distance from the axis 110 corresponds.
  • the rotor magnets 104 are permanent magnets in this example. Stator and moving part 102 then form a permanent magnet synchronous motor.
  • the excitation power for rotor coils can be saved, so that such an embodiment saves energy.
  • Components such as slip rings, brushes or the like, for transmitting the excitation power to the rotor can also be omitted. Since these are components with high wear, further operating costs are saved. In principle, however, one, several or all of the rotor magnets 104 can also be electromagnets.
  • Figure 1c shows a section of the pump 100 transverse to the axis of rotation of the moving part.
  • the stator coils 103 are arranged around the movement part 102 along a circular path concentric with the rotation axis.
  • the stator here consists of six coils 103, which are arranged on the outside of the housing 101. Another number of stator coils 103 is also conceivable.
  • the stator 103 may also consist of one or more traveling field windings (see also FIG. 4d ) consist.
  • the coils 103 may be mounted on the outside of the housing 101 such that the inner surface of the housing comprises any material, such as stainless steel.
  • the coils 103 may also be incorporated into the housing 101 so that its inner and outer surfaces comprise any material, such as stainless steel.
  • the coils 103 may also be recessed into the inside and / or outside of the housing 101, i. be sunk into it to a certain depth.
  • the coils 103 may also be mounted on the inside of the housing 101 or spaced from the housing 101.
  • the housing 101 may also have taps on the inner and / or outer surfaces around which the coils 103 are wound. If the coils 103 are not separated from the fluid by the housing 101, the coils 103 may be encapsulated.
  • the moving part 102 here has eight wings 108, in each of which a permanent magnet 104 is located.
  • the rotor magnets 104 are mounted here in the ends of the blades 108, ie the distance of the magnets 104 from the axis 110 corresponds to at least 75% of the distance of a point on a wing 108 at maximum distance from the axis 110.
  • the magnets 104 may also have other minimum distances from the axis 110.
  • the surfaces of the wings 108 are here parallel to the axis 110. However, it is conceivable that the wings 108 are rotated or bent relative to the axis 110, as is usual with a propeller.
  • the wings 108 are radially aligned here. However, it is conceivable that the wings 108 are bent in the radial direction. It is also conceivable that the wings 108 are bent in the axial and radial directions and thus, for example, have a blade-like shape.
  • the moving part 108 is here an open impeller.
  • the moving part 102 can also have a support disk with which the edges of one or more wings 108 facing away from the inflow 105 are connected. Then, the moving part 102 is a semi-open impeller.
  • the moving part 102 can also have a cover plate which partially covers the side of the moving part 102 facing the inflow 105. The moving part 102 is then a closed impeller.
  • FIGS. 2a 11 shows a perspective broken view of a centrifugal pump 200 with housing 201, moving part 202 and stator 203, wherein the moving part 202 partially encloses the stator 203, so that the moving part 202 rotates around the stator 203.
  • the fluid is drawn through an inlet 205 into the pumping chamber 206 and then pumped by the rotation of the moving part 202 into the drain 207.
  • FIG. 2b shows a section of the pump 200 along the axis of rotation of the moving part 202.
  • the moving part 202 has one or more wings 208 and a hub 209.
  • the moving part can be mounted on an axis 210.
  • the stator coils 203 are in the axis 210, while the rotor magnets 204 are in the hub 209 of the moving part 202.
  • the coils 203 are located on the inner and / or outer surfaces of the axis 210.
  • the coils are embedded in the inner and / or outer surfaces of the axis 210, that are sunk to a certain depth in this.
  • the axis 210 has on the inner and / or outer sides via pins around which the coils 203 are wound.
  • the rotor magnets 204 may also be incorporated in the vanes 208.
  • the magnets 204 may be attached to the outer surfaces of the hub 209 or wings 208.
  • stator coil rings 203 In the axis 210 there are three stator coil rings 203.
  • stator ring 203 For each stator ring 203 is in each case a likewise annular arrangement of rotor magnets 204 in the hub 209 (see also Figure 2c ).
  • This configuration enables a maximum coupling of stator and rotor magnetic fields in order to generate the highest possible torque.
  • the number of stator coil rings 203 and the corresponding Number of annular arrangements of rotor magnets 204 naturally deviate. Also, the number of stator rings 203 and the number of rotor rings 204 need not match.
  • Figure 2c shows a section through hub 209 and axis 210 of the pump 200 transverse to the axis of rotation of the moving part 202.
  • three stator coils 203 are incorporated in the axis 210 and four rotor magnets 204 in the hub 209 of the moving part 202.
  • the three coils 203 shown form one of the three stator rings 203.
  • the stator ring 203 shown then includes the ring formed by the rotor magnet 204.
  • the number of stator coils 203 and rotor magnets 204 may vary.
  • FIG. 3a shows a perspective broken view of a feed pump 300.
  • the housing 301 has an approximately cylindrical shape.
  • the housing 301 here comprises a tube segment.
  • Other shapes, such as polygonal cross-section tubes, are also conceivable.
  • the pump 300 can be procedurally considered as a piece of pipe, in the installation no swamp stops.
  • the moving part 302 is located in the housing 301.
  • a plurality of stator coils 303 are disposed on a circular path concentric with the rotational axis of the moving part 303 around the moving part 302 and inserted into the outside of the housing 301, that is sunk to a certain depth.
  • One or more traveling field windings instead of the stator coils are also conceivable.
  • the housing has a different cross section, for example a polygonal one, then the stator coils 303 can also be arranged along a figure corresponding to the cross section and concentric therewith, for example a polygon.
  • the stator coils 303 may also be installed in the housing 301 and / or attached to the inner and / or outer surfaces of the housing 301.
  • the moving part has six radially curved wings 308 on which rotor magnets are mounted on both sides. Another number of wings 308 or other wing shape is of course conceivable.
  • the moving part 302 comprises a hub 309 which is mounted on an axle 310.
  • the axis 310 is attached to struts 311 on the housing 301. In this example, the axis 310 is fixed at both ends with three struts 311 each. Another number of struts 311 is of course conceivable.
  • FIG. 3b shows a section of the pump 300 transverse to the axis of rotation of the moving part 302.
  • eight stator coils 303 are recessed in the outside of the housing 301. Another number of coils 303 is of course conceivable. Also, the coils 303 may be comprised of one or more traveling field windings (see FIG. 4d ) consist.
  • Figure 3c shows a section of the pump 300 along the axis of rotation of the moving part 302. It can be seen that a rotor magnet 304 is located on both sides of the wing 308 in each case. Of course, there need not be two magnets 304 on each wing 308. It is conceivable that only one or even no magnet 304 is attached to one or more vanes 308.
  • FIG. 3d figure shows a side section of another embodiment of the pump 300, where it is a screw pump.
  • the housing 301 is also approximately cylindrical in this example.
  • the pump 300 can be considered procedurally as a pipe and can be connected via flanges 313 with the rest of the pipe system.
  • the moving part here does not comprise wings in the true sense, but a spiral 308.
  • This spiral 308 here has, for example, a permanent magnetic core 304, i. the spiral 308 consists of several layers, of which one middle is permanent magnetic.
  • the movement part 302 also here comprises a hub 309 which is mounted on an axle 310.
  • the axis 310 is fixed at both ends with struts 311 on the housing 301.
  • stator comprises three stator rings 303, each stator ring 303 consisting of a number of annularly arranged stator coils.
  • stator rings 303 can certainly comprise different numbers of coils.
  • FIG. 3e shows a side section of another embodiment of the pump 300, in which it is an eccentric pump.
  • the inside of the housing 301 in this example has the shape of a geometric body of revolution with wavy envelopes.
  • the moving part 302 has the shape of a worm shaft, which can rotate in the housing 301 about its geometric axis of rotation.
  • the stator coils 303 which are wound, for example, around pins 312 on the outside of the housing 301, are arranged concentrically with the geometrical rotation lines of the vertices of the envelope of the geometric rotation body.
  • the rotor magnets 304 are then preferably arranged on and / or in areas of the worm shaft 302 which come as close as possible to the stator coils 303 during a rotation.
  • FIG. 3f 3 shows a side section of another embodiment of the pump 300.
  • the moving part 302 here comprises scoop-shaped moving elements 308, which are partially coated with permanent-magnetic material 304.
  • the moving part comprises a hub 309, which is mounted on an axle 310.
  • the axis 310 is fixed at both ends with struts 311 on the housing 301.
  • the stator coils 303 are mounted on the inside of the housing 301 in this example. Then, the stator coils 303 are sealed to separate them from the fluid.
  • this pump 300 can be integrated via flanges 313 in a pipe system.
  • FIG. 4a illustrates an example in which the device is a double-acting piston pump 400.
  • the moving part 402 is a piston that moves linearly.
  • the fluid is drawn through two inflows 405-1 and 405-2 into the respective pumping chambers 406-1 and 406-2 and then pumped into the respective outflows 407-1 and 407-2.
  • a single-acting piston pump is also conceivable, for example by thinking of the elements 405-2, 406-2 and 407-2 away.
  • the piston 402 in this example moves linearly along the stator 403 surrounding it and between the pumping chambers 406-1 and 406-2.
  • FIG. 4b illustrates a variant of a linear drive of such a piston pump.
  • the housing 401 is here approximately cylindrical between the pumping chambers 406-1 and 406-2.
  • the stator coils 403 for example, three windings 416-1, 416-2, and 416-3 which are wound around the housing 401 between the pumping chambers 406-1 and 406-2 at a length function.
  • the three windings 416-1, 416-2 and 416-3 correspond here to the three phases of the three-phase current. For alternating current with a different number of phases, the number of windings 416 can be adjusted accordingly.
  • permanent magnets 404 are each arranged in opposite directions in a row along the path of movement of the piston 402. This arrangement does not have to be geometrically perfect. Thus, the magnets 404 may also be arranged offset.
  • Figure 4c illustrates another variant of a linear drive of such a pump.
  • one or more long stators 403 are used, ie the stators 403 are each on a certain length with one or more traveling field winding (see FIG. 4d ) Mistake.
  • each long stator 403 it is advantageous for each long stator 403 to have an array of rotor magnets 404, as in FIG. 4b to provide.
  • the rotor magnets 404 can be mounted on the surface of the piston so that they are each as close as possible to the corresponding long stator.
  • the piston via a core with a magnet arrangement after FIG. 4b which then links to the one or more long stators.
  • FIG. 4d shows a plan view of a variant of a traveling field winding 403 Figure 4c ,
  • there are three windings 416-1, 416-2 and 416-3 which correspond to the three phases of the three-phase current. If alternating current is used with a different number of phases, then the number of windings 416 can be adjusted accordingly.
  • the windings 416 are here placed directly above one another and fastened on a strip 417, which in turn can be fastened to the housing 401.
  • the windings 416 may be encapsulated.
  • the strip 417 may be made of ferromagnetic material, and thus additionally serve as the "iron core" of the coils. However, the strip 417 can also be dispensed with.
  • FIG. 5a shows a side section of a stirrer 500.
  • the housing 501 in this case comprises a pot whose interior serves as a stirring chamber.
  • a moving part 502 comprising one or more stirring blades 508 for stirring, mixing or blending one or more fluids.
  • the moving part 502 includes a hub 509 supported on an axle 510.
  • the stator coils 503 are embedded here in the outer surface of the housing 501.
  • the moving part 502 has two magnets 504-1 and 504-2 in its wings 508, the magnet 504-1 being integrated in the outer area 518 and the magnet 504-2 being integrated in the lower area 519 of the wing 508.
  • FIG. 5b Fig. 12 shows a bottom view of the agitator 500. Shown are two stator coil rings, one of which is formed by the stator coils 503-1 on the side wall of the housing 501 and the other by the stator coils 503-2 on the bottom of the housing. Both rings are concentric with the rotational paths of the rotor magnets 504-1 and 504-2 in operation of the device.
  • the ring of the coils 503-1 lies, for example, at the height of the rotor magnets 504-1, while the ring of the coils 503-3 is below the magnets 504-2.
  • FIG. 5c shows a side section of another embodiment of the agitator 500, wherein the moving part 502 comprises a hub 509 supported on an axle 510.
  • the axis 510 including movement part 502 can be inserted from above into the housing 501.
  • the strut 513 may be connected, for example, with a cover 520 or other cover of the agitator.
  • the movement part 502 has one or more vanes 508.
  • a magnet 504-1 is mounted here in and / or on the outer region 518 of the movement part 502, while in each case two magnets 504-1 are arranged in and / or on the lower region 519 of the movement part 502. 2 and 504-3 are attached.
  • a respective number of coils 503-1, 503-2 and 503-3 form three stator coil rings corresponding to the rotational paths of the rotor magnets 504-1, 504-2 and 504-3 as shown in FIG FIG. 5b shown for two lanes.
  • FIG. 5d shows a side section of another embodiment of the agitator 500, wherein the moving part 502, the stator 503 at least partially encloses.
  • the stator 503 is here on a pin 510 of the housing 501 and is partially enclosed by the hub 509 of the moving part 502.
  • the wings 508 of the moving part 502 then rotate during operation the device around the stator.
  • the rotor magnets 504 of the moving part 502 are advantageously arranged in and / or on the hub 509.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bewegen eines Fluids, umfassend ein Bewegungsteil, um das Fluid zu bewegen, und einen Synchronmotor, wobei der Synchronmotor einen Stator mit wenigstens einer Statorspule und einen Läufer mit wenigstens einem Läufermagneten umfasst, wobei das Bewegungsteil durch den Synchronmotor direkt antreibbar ist und als dessen Läufer fungiert.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bewegen eines Fluids, umfassend ein Bewegungsteil, um das Fluid in Bewegung zu versetzen, und einen Synchronmotor, wobei das Bewegungsteil durch den Synchronmotor direkt antreibbar ist und als dessen Läufer fungiert.
  • Vorrichtungen zum Bewegen von Fluiden, insbesondere Flüssigkeiten, werden beispielsweise in der Getränkeindustrie verwendet. Dabei kann es sich bei einer solchen Vorrichtung um eine Pumpe, ein Rührwerk oder Ähnliches handeln.
  • Die DE 35 01 127 A1 zeigt eine Vorrichtung zum Herstellen von Mischgetränken, in welcher ein oder mehrere Dosierpumpen über ein Getriebe von einem Elektromotor angetrieben werden. Der Motor befindet sich dabei außerhalb der Pumpen. Eine solche Pumpe wird also extern betrieben, wobei sich jedoch das Problem ergibt, dass eine Antriebswelle vom Motor durch das Pumpengehäuse zu einem Laufrad, Impeller oder Ähnlichem geht. Damit ist der Einsatz von Gleitringdichtungen notwendig, um das Pumpengehäuse gegenüber dem Motor abzudichten.
  • Die folgenden Dokumente zeigen ähnliche Pumpen, bei denen jeweils eine Antriebswelle durch das Pumpengehäuse geht. Insbesondere zeigt die DE 43 15 234 A1 eine mehrstufige Kreiselpumpe zum Vermischen verschiedener Getränkekomponenten, die DE 100 52 797 A1 zeigt eine elektromotorisch angetriebene Pumpe, die DE 195 05 543 A1 zeigt eine Kreiselpumpe mit einem Drehzahlsensor und die EP 0 355 796 B1 zeigt eine Kreiselpumpe mit magnetisch gelagerter Welle.
  • Die DE 41 02 707 A1 zeigt unter anderem eine Ausführungsform einer Turbopumpe mit magnetisch gelagertem Flügelrad. Außerhalb des Pumpengehäuses befindet sich eine Anzahl Statorwicklungen, die durch Ein- und Ausschalten entsprechend der festgestellten Stellung eines mit jeder Statorwicklung verbundenen, kontaktlosen Steuerkommutators oder -stromwenders ein rotierendes Magnetfeld erzeugen, das das Flügelrad über daran angebrachte Permanentmagnete antreibt. Zwar kommt eine solche Pumpe ohne Gleitringdichtungen aus, die Erzeugung des rotierenden Magnetfelds ist jedoch kompliziert.
  • Die DE 39 42 679 A1 zeigt unter anderem Ausführungsformen einer Mischvorrichtung, die ein durch einen asynchronen Linearmotor angetriebenes Rührorgan umfasst. Der Sekundärteil des Motors ist dabei mit dem Rührorgan fest verbunden. Eine solche Mischvorrichtung kann ohne Gleitringdichtungen auskommen, wenn sich der Sekundärteil im Gehäuse befindet und das Rührorgan teilweise umschließt. Da hier jedoch ein Asynchronmotor benutzt wird, müssen die Induktionsströme im Sekundärteil derart fließen können, dass sich ein Magnetfeld aufbauen kann, womit starke Einschränkungen an dessen Form nötig sind. Da der Sekundärteil das Rührorgan teilweise umschließt, können sich zudem unerwünschte Turbulenzen bilden, die sich negativ auf die Effizienz der Vorrichtung auswirken.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Bewegen von Fluiden bereitzustellen, die eine größere Flexibilität bei der förmlichen Ausgestaltung des Bewegungsteils erlaubt. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.
  • Die Erfindung stellt eine Vorrichtung zum Bewegen eines Fluids bereit, umfassend ein Bewegungsteil, um das Fluid zu bewegen, und einen Synchronmotor, wobei der Synchronmotor einen Stator mit wenigstens einer Statorspule und einen Läufer mit wenigstens einem Läufermagneten umfasst, wobei das Bewegungsteil durch den Synchronmotor direkt antreibbar ist und als dessen Läufer fungiert.
  • Das Bewegungsteil ist direkt, also ohne Getriebe, durch den Synchronmotor antreibbar. Da das Bewegungsteil als Läufer des Motors fungiert, fällt eine Antriebswelle vom Motor durch ein Gehäuse der Vorrichtung zum Bewegungsteil weg. Ein Synchronmotor ist ein Wechselstrommotor, bei dem der Läufer (im Falle eines Drehmotors auch Rotor genannt) über ein permanentes Magnetfeld verfügt. Im Gegensatz zu einem Asynchronmotor, wo das Läufermagnetfeld durch Induktion erzeugt wird, muss hier nicht auf Induktionsströme Rücksicht genommen werden. Dies erlaubt eine größere Freiheit bei der förmlichen Ausgestaltung des Bewegungsteils.
  • Ein Fluid kann hierbei eine Flüssigkeit, insbesondere ein Getränk oder eine Getränkekomponente, ein Reinigungsmedium oder ein Gas, insbesondere Kohlendioxid, sein. Der Begriff "Bewegen" kann hierbei ein generelles In-Bewegung-Versetzen und/oder In-Bewegung-Halten eines Fluids sein, insbesondere ein Pumpen, Fördern, Vermengen, Vermischen und/oder Verrühren.
  • Das Bewegungsteil kann ein oder mehrere Bewegungselemente, wie etwa Flügel, Blätter, Schaufeln oder Ähnliches, zum Übertragen von Bewegungsenergie auf das Fluid umfassen. Das Bewegungsteil kann auf einer Welle, Achse oder Ähnlichem gelagert sein. Dazu kann das Bewegungsteil eine Nabe umfassen.
  • Es kann wenigstens ein Läufermagnet im und/oder am Bewegungsteil angeordnet sein und/oder das Bewegungsteil kann selbst aus permanentmagnetischem Material bestehen und/oder das Bewegungsteil kann ganz oder teilweise mit permanentmagnetischem Material überzogen sein.
  • Die Läufermagnete können jeweils Permanentmagnete oder Elektromagnete sein. Insbesondere kann die Mehrheit der Läufermagnete entweder Permanentmagnete oder Elektromagnete sein. In einer Ausführungsform kann es sich bei allen Läufermagneten um Permanentmagnete handeln. Der Synchronmotor ist dann permanenterregt.
  • Die Läufermagnete können unter die Oberfläche des Bewegungsteils eingearbeitet sein. Die Oberfläche des Bewegungsteils kann ein beliebiges Material, beispielsweise Edelstahl, aufweisen. Insbesondere kann das Material ein anderes Material umfassen als das der Läufermagnete. Das Material, aus dem das Bewegungsteil gefertigt ist, kann also Edelstahl umfassen.
  • Die Vorrichtung kann ein Gehäuse umfassen, das das Bewegungsteil wenigstens teilweise umschließt. Wenigstens eine Statorspule kann im oder am Gehäuse angeordnet sein und/oder außerhalb des Gehäuses angeordnet und von diesem beabstandet sein.
  • Das Gehäuse kann teilweise oder vollständig eine annähernd zylindrische Form aufweisen. Insbesondere kann das Gehäuse ein Rohrsegment oder Topf umfassen. Das Bewegungsteil kann sich im annähernd zylindrischen Teil des Gehäuses drehen oder darin linear bewegen.
  • Die Statorspulen können so im und/oder am Gehäuse angeordnet sein, dass deren Statormagnetfeld derart an die Läufermagnete am und/oder im Bewegungsteil koppelt, dass das Bewegungsteil durch das wechselnde Statormagnetfeld in Bewegung versetzt wird. Das Gehäuse kann dann gegenüber dem Stator abgeschlossen sein. Das Bewegungsteil kann auf verschiedene Arten im Gehäuse gelagert sein, beispielsweise über ein Kugellager auf einer Achse oder Innenwelle, die beispielsweise mit dem Gehäuse verbunden ist.
  • Der Stator kann auch vom Gehäuse beabstandet sein und insbesondere nicht am Gehäuse befestigt sein oder nicht mit diesem verbunden sein. Der Stator kann auch mobil sein.
  • Die Statorspulen können derart an der Außenseite des Gehäuses angebracht oder in das Gehäuse eingearbeitet sein, dass die Innenflächen des Gehäuses ein beliebiges Material, beispielsweise Edelstahl, aufweisen. Das Material, aus dem das Gehäuse gefertigt ist, kann beispielsweise Edelstahl umfassen. Das Gehäuse kann auch über an der Außenseite angeordnete Zapfen verfügen, um die die Statorspulen gewickelt werden.
  • Das Bewegungsteil kann den Stator des Synchronmotors wenigstens teilweise umschließen. Insbesondere kann sich der Stator dann im Gehäuse befinden.
  • Das Bewegungsteil kann einen ring- oder topfförmigen Teil umfassen, der den Stator wenigsten teilweise umschließt. Dieser ring- oder topfförmige Teil kann eine Nabe sein. An den Außenseiten des ring- oder topfförmigen Teils können sich Bewegungselemente zum Bewegen des Fluids befinden, die sich um den Stator herum drehen können.
  • Der Synchronmotor kann durch ein- oder mehrphasigen Wechselstrom betreibbar sein. Bei Benutzung von einphasigem Wechselstrom kann eine entsprechende Maschine zur Erzeugung von mehrphasigem Wechselstrom entfallen. Bei Benutzung mehrphasigen Wechselstroms, insbesondere dreiphasigen Wechselstroms (Drehstrom), kann ein höherer Wirkungsgrad erzielt werden.
  • Die wenigstens eine Statorspule kann eine Anzahl separater Wicklungen umfassen, die der Anzahl der Phasen des Wechselstroms entspricht. Bei einphasigem Wechselstrom kann dies eine Wicklung sein. Bei Drehstrom können dies drei separate Wicklungen sein, die beispielsweise in alternierender Reihenfolge gewickelt sind. Die Wicklungen können auch gekapselt sein.
  • Ein annähernd zylindrischer Teil des Gehäuse kann mit einer entsprechenden Anzahl Wicklungen umwickelt sein, so dass sich das Bewegungsteil in der Statorspule bewegt. Alternativ sind dann auch eine oder mehrere Wanderfeldwicklungen als Statorspulen möglich.
  • Der Synchronmotor kann ein Drehmotor oder ein Linearmotor sein. Dadurch kann die Vorrichtung bei Benutzung eines Drehmotors eine rotative Pumpe und bei Benutzung eines Linearmotors eine Linearpumpe sein.
  • Der Synchronmotor kann in zwei Richtungen betreibbar sein. Dadurch kann die Förderrichtung, etwa in einem Rohr, leicht umgekehrt werden. Das Fluid kann so auch abgebremst werden.
  • Die Vorrichtung kann mehrere Statorspulen umfassen, wobei ein Läufermagnet während des Betriebs der Vorrichtung eine Rotationsbahn beschreibt, mehrere Statorspulen im Wesentlichen in derselben Ebene wie die Rotationsbahn angeordnet sind, und insbesondere im Wesentlichen auf einer mit der Rotationsbahn konzentrischen Bahn angeordnet sind.
  • Die Bezeichnung "im Wesentlichen" bedeutet, dass die Konfiguration geometrisch nicht perfekt sein muss. So kann es beispielsweise durch die bauliche Beschaffenheit des Gehäuses oder anderer Bestandteile zu Abweichungen kommen.
  • Sind die Statorspulen zudem im und/oder am Gehäuse, also möglichst dicht an der Rotationsbahn eines oder mehrerer Läufermagnete, angeordnet, dann kann durch diese Konfiguration eine maximale Kopplung der Läufermagnete an das Magnetfeld des Stators erreicht werden. Dadurch kann das Bewegungsteil ein hohes Drehmoment erzeugen.
  • Die Statorspulen können im Wesentlichen ringförmig, insbesondere auf einer mit der Rotationsachse des Bewegungsteils konzentrischen Kreisbahn, um das Bewegungsteil herum angeordnet sein. Es sind auch mehrere solcher Statorringe, d.h. im Wesentlichen ringförmig angeordnete Statorspulen, entlang der Rotationsachse des Bewegungsteils denkbar. Es sind auch mehrere Statorringe in einer Ebene denkbar, die jeweils konzentrisch zueinander sind und verschiedene Radien haben können. Es kann vorteilhaft sein, wenn jeder Statorring einen möglichst geringen Abstand zu wenigstens einer der Rotationsbahnen der Läufermagnete aufweist.
  • Die Statorspulenkonfiguration kann an die Form des Gehäuses angepasst werden. Die Statorspulen können im Wesentlichen auf einer elliptischen Bahn oder entlang eines Polygons angeordnet sein. Dies ist vorteilhaft, wenn das Gehäuse beispielsweise einen elliptischen oder polygonalen Querschnitt hat.
  • Das Bewegungsteil kann die Form eines Laufrads, eines Impellers, eines Flügelrads, eines Topfes, eines Kolbens, eines Kreiskolbens, einer Schnecke, einer Schneckenwelle oder eines Rührflügels aufweisen.
  • Ein Bewegungselement des Bewegungsteils kann dann die Form eines Flügels, eines Blatts, einer Schaufel oder Ähnlichem haben. Im Falle eines Lauf- oder Flügelrades oder Impellers kann das röhren- oder ringförmige Außengehäuse wegfallen.
  • Die Vorrichtung kann eine Kreiselpumpe, eine Schnecken-, Exzenter- oder Kreiskolbenpumpe, eine einfach- oder doppeltwirkende Kolbenpumpe oder ein Rührwerk sein.
  • Im Falle einer Kreiselpumpe kann das Bewegungsteil insbesondere die Form eines Laufrads, eines Flügelrads oder eines Impellers haben. Laufräder können hier insbesondere die Form geschlossener Laufräder, d.h. Laufräder mit Trag- und Deckscheibe, halboffener Laufräder, d.h. Laufräder mit Tragscheibe aber ohne Deckscheibe, sowie offener Laufräder, d.h. Laufräder ohne Trag- und Deckscheibe, haben. Das Gehäuse kann so geformt sein, dass die Kreiselpumpe eine Radial- oder Halbaxialpumpe ist. Andere Arten von Kreiselpumpen sind ebenfalls denkbar.
  • Im Falle einer Verdrängerpumpe kann das Bewegungsteil insbesondere die Form eines Kreiskolbens, einer Schnecke oder einer Schneckenwelle haben. Andere Formen von Verdrängerpumpen sind ebenfalls realisierbar.
  • Im Falle einer Kolbenpumpe kann das Bewegungsteil insbesondere die Form eines Kolbens haben. Die Vorrichtung kann dabei mit einer oder mehreren Strömungskammern verbunden werden.
  • Im Falle eines Rührwerks kann das Bewegungsteil ein oder mehrere Rührflügel umfassen. Das Gehäuse kann teilweise oder vollständig eine annähernd zylindrische Form aufweisen. Insbesondere kann das Gehäuse einen Topfes mit flachem oder abgerundetem Boden umfassen.
  • Wenigstens ein Läufermagnet kann bezüglich einer gedachten radialen Linie von der Rotationsachse zu einem von der Rotationsachse am weitesten entfernten Punkt des Bewegungsteils mindestens halb so weit von der Rotationsachse beabstandet ist wie jener Punkt. Dabei können einer, mehrere oder alle Läufermagnete jene Beabstandung haben. Auch eine Beabstandung von mindestens 60%, 70%, 80% oder 90% des Abstands jenes Punktes ist denkbar. Die Läufermagnete können insbesondere an und/oder in den Bewegungselementen des Bewegungsteils angeordnet sein.
  • Alternativ können einer, mehrere oder alle Läufermagnete auch möglichst nahe an der Rotationsachse des Bewegungsteils angeordnet sein. Dies kann vorteilhaft sein, wenn das Bewegungsteil den Stator teilweise umschließt. Insbesondere können die Läufermagnete auch in und/oder an der Nabe des Bewegungsteils angeordnet sein. Dies kann ebenfalls vorteilhaft sein, wenn es beispielsweise zu aufwendig wäre, die Läufermagnete in den Bewegungselementen anzuordnen weil diese zu dünn sind und ein Anbringen der Läufermagnete an der Oberfläche der Bewegungselemente unerwünscht ist.
  • Die Vorrichtung kann mindestens zwei Läufermagnete umfassen, die gegenpolig nebeneinander in und/oder am Bewegungsteil angeordnet sind. Die Vorrichtung kann mehr als zwei Läufermagnete umfassen, die im und/oder am Bewegungsteil in einer Sequenz derart angeordnet sind, dass benachbarte Läufermagnete jeweils gegenpolig sind.
  • Diese Konfiguration kann insbesondere für eine Kolbenpumpe verwendet werden, die durch einen Linearmotor antreibbar ist. Eine Anzahl aneinander gereihter jeweils gegenpoliger Magnete kann sich dabei im und/oder am kolbenförmigen Bewegungsteil befinden. Dieser Kolben kann sich beispielsweise in einem teilweise oder vollständig annähernd zylindrischen Gehäuse befinden. Das Gehäuse kann auf einer gewissen Länge mit ein- oder mehrphasigen Wicklungen umwickelt sein oder ein oder mehrere Wanderfeldwicklungen umfassen, so dass der Kolben durch einen Linearmotor entlang des Gehäuses bewegt werden kann.
  • Die Vorrichtung kann einen Frequenzumwandler zum Ansteuern des Synchronmotors umfassen. Durch einen Frequenzumwandler kann der Synchronmotor präzise angesteuert werden.
  • Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden nachfolgend anhand der beispielhaften Figuren erläutert. Dabei zeigen schematisch
    • Figur 1a- 1c Kreiselpumpen mit innen liegendem Bewegungsteil;
    • Figur 2a - 2c Kreiselpumpen mit innen liegendem Stator;
    • Figur 3a - 3f verschiedene Förder- und Verdrängerpumpen;
    • Figur 4a - 4d eine Kolbenpumpe mit Linearantrieb;
    • Figur 5a - 5d mehrere Varianten von Rührwerken.
  • Figur 1a zeigt eine perspektivische Bruchansicht einer Kreiselpumpe 100 mit einem Gehäuse 101 und innen liegendem Bewegungsteil 102, das von einem Stator umgeben ist, wobei hier die Gesamtheit der Statorspulen 103 als Stator angesehen wird. Im Betrieb der Pumpe 100 wird das Fluid durch einen Zufluss 105 in die Pumpkammer 106 gezogen und dann durch die Rotation des Bewegungsteils 102 in den Abfluss 107 gepumpt. Ein Fluid ist hier ein Gas oder, insbesondere, eine Flüssigkeit.
  • Da das Bewegungsteil 102 als Läufer des Synchronmotors fungiert, ist keine Antriebswelle nötig. Das Gehäuse 101 ist hier gegenüber dem Stator abgeschlossen. Es sind daher keine Dichtungen oder Ähnliches nötig. Auch wird das Bewegungsteil 102 getriebelos angetrieben, weshalb nicht nur der Platz für ein Getriebe gespart werden kann, sondern der Antrieb der Pumpe 100 auch einen sehr hohen Wirkungsgrad vorweisen kann.
  • Figur 1b zeigt einen Schnitt der Pumpe 100 entlang der Rotationsachse des Bewegungsteils 102. Das Bewegungsteil verfügt über hier über acht Flügel 108 (siehe Figur 1c) und eine Nabe 109, die auf einer Achse 110 gelagert ist. Das Bewegungsteil 102 dreht sich somit im Betrieb der Vorrichtung um die Achse 110. Eine andere Anzahl von Flügeln 108 ist natürlich denkbar.
  • In den Flügeln 108 befindet sich jeweils ein Permanentmagnet 104. Es ist jedoch auch denkbar, dass sich nicht in jedem Flügel 108 ein Magnet 104 befindet. Ebenso ist es denkbar, dass sich in einigen oder allen Flügeln 108 mehrere Magnete 104 befinden. Die Oberfläche des Bewegungsteils 102 kann ein beliebiges Material, beispielsweise Edelstahl, aufweisen. Alternativ können die Magnete 104 auch auf den Oberflächen der Flügel 108 angebracht sein.
  • Da der Stator das Bewegungsteil 102 umgibt, ist es vorteilhaft, die Läufermagnete 104 in den Flügeln 108 möglichst weit von der Achse 110 entfernt anzuordnen, um eine möglichst starke Kopplung an das Magnetfeld der Statorspulen 103 zu erreichen. In diesem Beispiel haben die Magnete 104 etwa einen radialen Abstand von der Achse 110 der mindestens 75% des Abstands eines Punktes auf dem Rand eines Flügels 108, also eines Punktes auf dem Flügel 108 mit maximalem Abstand zur Achse 110, entspricht.
  • Die Läufermagnete 104 sind in diesem Beispiel Permanentmagnete. Stator und Bewegungsteil 102 bilden dann einen permanenterregten Synchronmotor. Die Erregerleistung für Läuferspulen kann so eingespart werden, weshalb eine solche Ausführungsform Energie spart. Bauteile, wie etwa Schleifringe, Bürsten oder Ähnliches, zur Übertragung der Erregerleistung auf den Läufer können so ebenfalls wegfallen. Da es sich dabei um Bauteile mit hohem Verschleiß handelt, werden so weitere Betriebskosten eingespart. Prinzipiell können einer, mehrere oder alle Läufermagnete 104 jedoch auch Elektromagnete sein.
  • Figur 1c zeigt einen Schnitt der Pumpe 100 quer zur Rotationsachse des Bewegungsteils. Die Statorspulen 103 sind entlang einer mit der Rotationsachse konzentrischen Kreisbahn um das Bewegungsteil 102 herum angeordnet. Der Stator besteht hier aus sechs Spulen 103, die an der Außenseite des Gehäuses 101 angeordnet sind. Eine andere Anzahl von Statorspulen 103 ist ebenso denkbar. Alternativ kann der Stator 103 auch aus einer oder mehreren Wanderfeldwicklungen (siehe auch Figur 4d) bestehen.
  • Die Spulen 103 können so an der Außenseite des Gehäuses 101 angebracht sein, dass die Innenfläche des Gehäuses ein beliebiges Material, beispielsweise Edelstahl, aufweist. Die Spulen 103 können auch in das Gehäuse 101 eingebaut sein, so dass dessen Innen- und Außenflächen ein beliebiges Material, beispielsweise Edelstahl, aufweisen. Die Spulen 103 können auch in die Innen- und/oder Außenseite des Gehäuses 101 eingelassen sein, d.h. bis zu einer bestimmten Tiefe in diese versenkt sein. Die Spulen 103 können auch auf der Innenseite des Gehäuses 101 angebracht sein oder vom Gehäuse 101 beabstandet sein. Das Gehäuse 101 kann auch über Zapften an den Innen- und/oder Außenflächen verfügen, um die die Spulen 103 gewickelt sind. Sind die Spulen 103 nicht durch das Gehäuse 101 vom Fluid abgegrenzt, so können die Spulen 103 gekapselt sein.
  • Das Bewegungsteil 102 hat hier acht Flügel 108, in denen sich jeweils ein Permanentmagnet 104 befindet. Um maximale Kopplung zwischen den Magnetfeldern der Statorspulen 103 und der Läufermagnete 104 zu erzielen, sind die Läufermagnete 104 hier in den Enden der Flügel 108 angebracht, d.h. der Abstand der Magnete 104 von der Achse 110 entspricht mindestens 75% des Abstands eines Punktes auf einem Flügel 108 mit maximalem Abstand zur Achse 110. Natürlich können die Magnete 104 in anderen Ausführungsformen auch andere Mindestabstände von der Achse 110 haben.
  • Die Flächen der Flügel 108 sind hier parallel zur Achse 110. Es ist jedoch denkbar, dass die Flügel 108 gegenüber der Achse 110 gedreht oder gebogen sind, etwa wie bei einem Propeller üblich. Die Flügel 108 sind hier radial ausgerichtet. Es ist jedoch denkbar, dass die Flügel 108 in radialer Richtung gebogen sind. Es ist ebenso denkbar, dass die Flügel 108 in axialer und radialer Richtung gebogen sind und so beispielsweise eine schaufelähnliche Form aufweisen. Das Bewegungsteil 108 ist hier ein offenes Laufrad bzw. Flügelrad. Das Bewegungsteil 102 kann alternativ auch über eine Tragscheibe verfügen, mit der die dem Zufluss 105 abgewandten Ränder eines oder mehrerer Flügel 108 verbunden sind. Dann ist das Bewegungsteil 102 ein halboffenes Laufrad. Das Bewegungsteil 102 kann zusätzlich auch über eine Deckscheibe verfügen, die die dem Zufluss 105 zugewandte Seite des Bewegungsteils 102 teilweise verdeckt. Das Bewegungsteil 102 ist dann ein geschlossenes Laufrad.
  • Figuren 2a zeigt eine perspektivische Bruchansicht einer Kreiselpumpe 200 mit Gehäuse 201, Bewegungsteil 202 und Stator 203, wobei das Bewegungsteil 202 den Stator 203 teilweise umschließt, so dass sich das Bewegungsteil 202 um den Stator 203 herum dreht. Im Betrieb der Pumpe 200 wird das Fluid durch einen Zufluss 205 in die Pumpkammer 206 gezogen und dann durch die Rotation des Bewegungsteils 202 in den Abfluss 207 gepumpt.
  • Figur 2b zeigt einen Schnitt der Pumpe 200 entlang der Rotationsachse des Bewegungsteils 202. Das Bewegungsteil 202 verfügt über ein oder mehrere Flügel 208 und eine Nabe 209. Das Bewegungsteil kann dabei auf einer Achse 210 gelagert sein.
  • In diesem Beispiel befindet sich die Statorspulen 203 in der Achse 210, während sich die Läufermagnete 204 in der Nabe 209 des Bewegungsteils 202 befinden. Alternativ ist es natürlich denkbar, dass sich die Spulen 203 auf den Innen- und/oder Außenflächen der Achse 210 befinden. Es ist auch denkbar, dass die Spulen in die Innen- und/oder Außenflächen der Achse 210 eingelassen sind, also bis zu einer bestimmten Tiefe in diese versenkt sind. Es ist auch denkbar, dass die Achse 210 an den Innen- und/oder Außenseiten über Zapfen verfügt, um die die Spulen 203 gewickelt sind. Die Läufermagnete 204 können auch in die Flügeln 208 eingebaut sein. Ebenso können die Magnete 204 an den Außenflächen der Nabe 209 oder der Flügel 208 angebracht sein.
  • In der Achse 210 befinden sich drei Statorspulenringe 203. Zu jedem Statorring 203 befindet sich jeweils eine ebenfalls ringförmige Anordnung von Läufermagneten 204 in der Nabe 209 (siehe auch Figur 2c). Durch diese Konfiguration wird eine maximale Kopplung von Stator- und Läufermagnetfeldern ermöglicht, um ein möglichst hohes Drehmoment erzeugen zu können. In anderen Ausführungsformen kann die Anzahl der Statorspulenringe 203 und der entsprechenden Anzahl ringförmiger Anordnungen von Läufermagnete 204 natürlich abweichen. Auch muss die Anzahl der Statorringe 203 und die Anzahl der Läuferringe 204 nicht übereinstimmen.
  • Figur 2c zeigt einen Schnitt durch Nabe 209 und Achse 210 der Pumpe 200 quer zur Rotationsachse des Bewegungsteils 202. Im gezeigten Querschnitt sind drei Statorspulen 203 in die Achse 210 und vier Läufermagnete 204 in die Nabe 209 des Bewegungsteils 202 eingearbeitet. Die drei gezeigten Spulen 203 bilden dabei einen der drei Statorringe 203. Zum gezeigten Statorring 203 gehört dann der von den Läufermagneten 204 gebildete Ring. In anderen Ausführungsformen kann die Anzahl der Statorspulen 203 und der Läufermagnete 204 natürlich abweichen.
  • Figur 3a zeigt eine perspektivische Bruchansicht einer Förderpumpe 300. Das Gehäuse 301 weist eine annähernd zylindrischer Form auf. Insbesondere umfasst das Gehäuse 301 hier ein Rohrsegment. Andere Formen, wie etwa Rohre mit polygonalem Querschnitt, sind auch denkbar. Die Pumpe 300 kann verfahrenstechnisch wie ein Stück Rohr betrachtet werden, bei dessen Einbau kein Sumpf stehen bleibt.
  • Das Bewegungsteil 302 befindet sich im Gehäuse 301. Eine Anzahl Statorspulen 303 ist auf einer mit der Rotationsachse des Bewegungsteils 303 konzentrischen Kreisbahn um das Bewegungsteil 302 herum angeordnet und in die Außenseite des Gehäuses 301 eingelassen, d.h. bis auf eine bestimmte Tiefe in dieses versenkt. Eine oder mehrere Wanderfeldwicklungen (siehe Figur 4d) anstelle der Statorspulen sind ebenso denkbar. Hat das Gehäuse einen anderen Querschnitt, beispielsweise einen polygonalen, dann können die Statorspulen 303 auch entlang einer dem Querschnitt entsprechenden und mit ihm konzentrischen Figur, beispielsweise eines Polygons, angeordnet sein. Wie in den vorherigen Beispielen, können die Statorspulen 303 auch in das Gehäuse 301 eingebaut und/oder an den Innen- und/oder Außenflächen des Gehäuses 301 angebracht sein.
  • In diesem Beispiel hat das Bewegungsteil sechs in radialer Richtung gebogene Flügel 308, an denen beidseitig Läufermagnete angebracht sind. Eine andere Anzahl Flügel 308 oder eine andere Flügelform ist natürlich denkbar. Das Bewegungsteil 302 umfasst eine Nabe 309, die auf einer Achse 310 gelagert ist. Die Achse 310 ist mit Streben 311 am Gehäuse 301 befestigt ist. In diesem Beispiel ist die Achse 310 an beiden Enden mit je drei Streben 311 befestigt. Eine andere Anzahl von Streben 311 ist natürlich denkbar.
  • Figur 3b zeigt einen Schnitt der Pumpe 300 quer zur Rotationsachse des Bewegungsteils 302. In diesem Beispiel sind acht Statorspulen 303 in die Außenseite des Gehäuses 301 eingelassen. Eine andere Anzahl von Spulen 303 ist natürlich denkbar. Auch können die Spulen 303 aus ein oder mehreren Wanderfeldwicklungen (siehe Figur 4d) bestehen.
  • Figur 3c zeigt eine Schnitt der Pumpe 300 entlang der Rotationsachse des Bewegungsteils 302. Zu sehen ist, dass sich auf beiden Seiten der Flügel 308 jeweils ein Läufermagnet 304 befindet. Natürlich müssen sich nicht an jedem Flügel 308 zwei Magnete 304 befinden. Denkbar ist, dass an einem oder mehreren Flügeln 308 nur ein oder gar kein Magnet 304 angebracht ist.
  • Figur 3d zeigt einen Seitenschnitt einer anderen Ausführungsform der Pumpe 300, bei der diese eine Schneckenpumpe ist. Das Gehäuse 301 ist auch in diesem Beispiel annähernd zylindrisch. Die Pumpe 300 kann verfahrenstechnisch als Rohr betrachtet werden und lässt sich über Anflanschungen 313 mit dem restlichen Rohrsystem verbinden.
  • Das Bewegungsteil umfasst hier keine Flügel im eigentlichen Sinne, sondern eine Spirale 308. Diese Spirale 308 hat hier beispielsweise einen permanentmagnetischen Kern 304, d.h. die Spirale 308 besteht aus mehreren Lagen, wovon eine mittlere permanentmagnetisch ist. Das Bewegungsteil 302 umfasst auch hier eine Nabe 309, die auf einer Achse 310 gelagert ist. Die Achse 310 ist an beiden Enden jeweils mit Streben 311 am Gehäuse 301 befestigt.
  • Wegen der großen axialen Ausdehnung des Bewegungsteils umfasst der Stator hier drei Statorringe 303, wobei jeder Statorring 303 aus einer Anzahl ringförmig angeordneter Statorspulen besteht. Natürlich ist auch eine andere Anzahl Statorringe 303 denkbar. Verschiedene Statorringe 303 können dabei durchaus verschiedene Anzahlen von Spulen umfassen.
  • Figur 3e zeigt einen Seitenschnitt einer anderen Ausführungsform der Pumpe 300, bei der diese eine Exzenterpumpe ist. Die Innenseite des Gehäuses 301 weist in diesem Beispiel die Form eines geometrischen Rotationskörpers mit wellenförmiger Einhüllenden auf. Das Bewegungsteil 302 hat die Form einer Schneckenwelle, die sich im Gehäuse 301 um dessen geometrische Rotationsachse drehen kann. Die Statorspulen 303, die beispielsweise um Zapfen 312 an der Außenseite des Gehäuses 301 gewickelt sind, sind konzentrisch mit den geometrischen Rotationslinien der Scheitelpunkte der Einhüllenden des geometrischen Rotationskörpers angeordnet. Die Läufermagnete 304 sind dann vorzugsweise auf und/oder in Bereichen der Schneckenwelle 302 angeordnet, die den Statorspulen 303 während einer Rotation möglichst nahe kommen.
  • Figur 3f zeigt einen Seitenschnitt einer anderen Ausführungsform der Pumpe 300. Das Bewegungsteil 302 umfasst hier schaufelförmige Bewegungselemente 308, die teilweise mit permanentmagnetischem Material 304 überzogen sind. Das Bewegungsteil umfasst eine Nabe 309, die auf einer Achse 310 gelagert ist. Die Achse 310 ist an beiden Enden jeweils mit Streben 311 am Gehäuse 301 befestigt. Die Statorspulen 303 sind in diesem Beispiel auf der Innenseite des Gehäuses 301 angebracht. Dann sind die Statorspulen 303 gekapselt, um sie vom Fluid abzugrenzen. Auch diese Pumpe 300 kann über Anflanschungen 313 in ein Rohrsystem integriert werden.
  • Figur 4a illustriert ein Beispiel, in dem die Vorrichtung eine doppeltwirkende Kolbenpumpe 400 ist. Hierbei ist das Bewegungsteil 402 ein Kolben, der sich linear bewegt. Das Fluid wird durch zwei Zuflüsse 405-1 und 405-2 in die jeweiligen Pumpkammern 406-1 und 406-2 gezogen und dann in die jeweiligen Abflüsse 407-1 und 407-2 gepumpt. Natürlich ist auch eine einfachwirkende Kolbenpumpe denkbar, etwa indem man sich die Elemente 405-2, 406-2 und 407-2 weg denke. Der Kolben 402 bewegt sich in diesem Beispiel linear entlang des ihn umschließenden Stators 403 und zwischen den Pumpkammern 406-1 und 406-2.
  • Figur 4b illustriert eine Variante eines Linearantriebs einer solchen Kolbenpumpe. Das Gehäuse 401 ist hier zwischen den Pumpkammern 406-1 und 406-2 annähernd zylindrisch. Als Statorspulen 403 fungieren beispielsweise drei Wicklungen 416-1, 416-2 und 416-3, die auf einer Länge um das Gehäuse 401 zwischen den Pumpkammern 406-1 und 406-2 gewickelt sind. Die drei Wicklungen 416-1, 416-2 und 416-3 entsprechen hier den drei Phasen des Drehstroms. Für Wechselstrom mit einer anderen Anzahl Phasen kann die Anzahl der Wicklungen 416 entsprechend angepasst werden. In und/oder auf dem Kolben 402 sind Permanentmagnete 404 jeweils gegenpolig in einer Reihe entlang der Bewegungsbahn des Kolbens 402 angeordnet. Diese Anordnung muss dabei nicht geometrisch perfekt sein. So können die Magnete 404 auch versetzt angeordnet sein.
  • Figur 4c illustriert eine andere Variante eines Linearantriebs einer solchen Pumpe. Hierbei kommen ein oder mehrere Langstatoren 403 zum Einsatz, d.h. die Statoren 403 sind auf einer bestimmten Länge jeweils mit einer oder mehreren Wanderfeldwicklung (siehe Figur 4d) versehen. Es ist vorteilhaft, zu jedem Langstator 403 eine Anordnung von Läufermagneten 404, wie in Figur 4b, vorzusehen. Die Läufermagnete 404 können dabei so auf der Oberfläche des Kolbens angebracht werden, dass sie jeweils möglichst nahe am entsprechenden Langstator sind. Es wäre allerdings auch denkbar, dass der Kolben über einen Kern mit einer Magnetanordnung nach Figur 4b verfügt, der dann an die ein oder mehreren Langstatoren koppelt.
  • Figur 4d zeigt eine Draufsicht einer Variante einer Wanderfeldwicklung 403 aus Figur 4c. In diesem Beispiel finden sich drei Wicklungen 416-1, 416-2 und 416-3, die den drei Phasen des Drehstroms entsprechen. Wird Wechselstrom mit einer andren Anzahl von Phasen benutzt, dann kann die Anzahl von Wicklungen 416 entsprechend angepasst werden. Die Wicklungen 416 sind hier direkt übereinander gelegt und auf einem Streifen 417 befestigt, der wiederum am Gehäuse 401 befestigt werden kann. Die Wicklungen 416 können gekapselt sein. Der Streifen 417 kann aus ferromagnetischem Material bestehen, und somit zusätzlich als "Eisenkern" der Spulen dienen. Auf den Streifen 417 kann allerdings auch verzichtet werden.
  • Figur 5a zeigt einen Seitenschnitt eines Rührwerks 500. Das Gehäuse 501 umfasst hierbei einen Topf, dessen Inneres als Rührkammer dient. In diesem befindet sich ein Bewegungsteil 502, das ein oder mehrere Rührflügel 508 zum Verrühren, Vermischen oder Vermengen eines oder mehrerer Fluide umfasst. Das Bewegungsteil 502 umfasst eine Nabe 509, die auf einer Achse 510 gelagert ist. Die Statorspulen 503 sind hier in die Außenfläche des Gehäuses 501 eingelassen. Das Bewegungsteil 502 verfügt in seinen Flügeln 508 jeweils über zwei Magnete 504-1 und 504-2, wobei der Magnet 504-1 in den äußeren Bereich 518 und der Magnet 504-2 in den unteren Bereich 519 des Flügels 508 integriert ist.
  • Figur 5b zeigt eine Untenansicht des Rührwerks 500. Zu sehen sind zwei Statorspulenringe, wovon einer durch die Statorspulen 503-1 an der Seitenwand des Gehäuses 501 und der andere durch die Statorspulen 503-2 an der Unterseite des Gehäuses gebildet wird. Beide Ringe sind konzentrisch mit den Rotationsbahnen der Läufermagnete 504-1 und 504-2 im Betrieb der Vorrichtung. Der Ring der Spulen 503-1 liegt dabei beispielsweise auf der Höhe der Läufermagnete 504-1, während der Ring der Spulen 503-3 unter den Magneten 504-2 liegt.
  • Figur 5c zeigt einen Seitenschnitt einer anderen Ausführungsform des Rührwerk 500, wobei das Bewegungsteil 502 eine Nabe 509 umfasst, die auf einer Achse 510 gelagert ist. Die Achse 510 samt Bewegungsteil 502 kann hierbei von oben in das Gehäuse 501 eingeführt werden. Dabei kann die Strebe 513 beispielsweise mit einem Deckel 520 oder sonstiger Abdeckung des Rührwerks verbunden sein. Das Bewegungsteil 502 verfügt über ein oder mehrere Flügel 508. Im und/oder am äußeren Bereich 518 des Bewegungsteils 502 ist hier jeweils ein Magnet 504-1 angebracht, während im und/oder am unteren Bereich 519 des Bewegungsteils 502 hier jeweils zwei Magnete 504-2 und 504-3 angebracht sind. Entsprechend bilden eine jeweilige Anzahl von Spulen 503-1, 503-2 und 503-3 drei Statorspulenringe, entsprechend der Rotationsbahnen der Läufermagnete 504-1, 504-2 und 504-3, wie in Figur 5b für zwei Bahnen gezeigt.
  • Figur 5d zeigt einen Seitenschnitt einer andere Ausführungsform des Rührwerk 500, wobei das Bewegungsteil 502 den Stator 503 wenigstens teilweise umschließt. Der Stator 503 befindet sich hier auf einem Zapfen 510 des Gehäuses 501 und wird von der Nabe 509 des Bewegungsteils 502 teilweise umschlossen. Die Flügel 508 des Bewegungsteils 502 rotieren dann im Betrieb der Vorrichtung um des Stator herum. Die Läufermagnete 504 des Bewegungsteils 502 sind vorteilsweise in und/oder an der Nabe 509 angeordnet.
  • Es versteht sich, dass in den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen genannte Merkmale nicht auf diese speziellen Kombinationen beschränkt sind und auch in beliebigen anderen Kombinationen möglich sind.

Claims (13)

  1. Vorrichtung zum Bewegen eines Fluids, umfassend ein Bewegungsteil (102; 202; 302; 402; 502), um das Fluid zu bewegen, und einen Synchronmotor, wobei der Synchronmotor einen Stator mit wenigstens einer Statorspule (103; 203; 303; 403; 503) und einen Läufer mit wenigstens einem Läufermagneten (104; 204; 304; 404; 504) umfasst, wobei das Bewegungsteil (102; 202; 302; 402; 502) durch den Synchronmotor direkt antreibbar ist und als dessen Läufer fungiert, wobei der Synchronmotor durch Drehstrom betreibbar ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei wenigstens ein Läufermagnet (104; 204; 304; 404; 504) im und/oder am Bewegungsteil (102; 202; 302; 402; 502) angeordnet ist und/oder das Bewegungsteil (102; 202; 302; 402; 502) selbst aus permanentmagnetischem Material besteht und/oder das Bewegungsteil (102; 202; 302; 402; 502) ganz oder teilweise mit permanentmagnetischem Material überzogen ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, umfassend ein Gehäuse (101; 201; 301; 401; 501), das das Bewegungsteil (102; 202; 302; 402; 502) wenigstens teilweise umschließt,
    wobei wenigstens eine Statorspule (103; 203; 303; 403; 503) im oder am Gehäuse (101; 201; 301; 401; 501) angeordnet ist und/oder außerhalb des Gehäuses (101; 201; 301; 401; 501) angeordnet und von diesem beabstandet ist, oder
    wobei das Bewegungsteil (102; 202; 302; 402; 502) den Stator des Synchronmotors wenigstens teilweise umschließt.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine Statorspule (103; 203; 303; 403; 503) eine Anzahl separater Wicklungen umfasst, die der Zahl der Phasen des Drehstroms entspricht.
  5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Synchronmotor ein Drehmotor oder ein Linearmotor ist.
  6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Synchronmotor in zwei Richtungen betreibbar ist.
  7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend mehrere Statorspulen (103; 203; 303; 403; 503), wobei ein Läufermagnet (104; 204; 304; 404; 504) während des Betriebs der Vorrichtung eine Rotationsbahn beschreibt, mehrere Statorspulen (103; 203; 303; 403; 503) im Wesentlichen in derselben Ebene wie die Rotationsbahn angeordnet sind, und insbesondere im Wesentlichen auf einer mit der Rotationsbahn konzentrischen Bahn angeordnet sind.
  8. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Bewegungsteil (102; 202; 302; 402; 502) die Form eines Laufrads, eines Impellers, eines Flügelrads, eines Topfes, eines Kolbens, eines Kreiskolbens, einer Schnecke, einer Schneckenwelle oder eines Rührflügels aufweist.
  9. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Vorrichtung eine Kreiselpumpe, eine Schnecken-, Exzenter- oder Kreiskolbenpumpe, eine einfach- oder doppeltwirkende Kolbenpumpe oder ein Rührwerk ist.
  10. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei wenigstens ein Läufermagnet (104; 204; 304; 404; 504) bezüglich einer gedachten radialen Linie von der Rotationsachse zu einem von der Rotationsachse am weitesten entfernten Punkt des Bewegungsteils (102; 202; 302; 402; 502) mindestens halb so weit von der Rotationsachse beabstandet ist wie jener Punkt.
  11. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei mindestens zwei Läufermagnete (104; 204; 304; 404; 504) gegenpolig nebeneinander in und/oder am Bewegungsteil (102; 202; 302; 402; 502) angeordnet sind.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei mehr als zwei Läufermagnete (104; 204; 304; 404; 504) im und/oder am Bewegungsteil (102; 202; 302; 402; 502) in einer Sequenz derart angeordnet sind, dass benachbarte Läufermagnete jeweils gegenpolig sind.
  13. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend einen Frequenzumwandler zum Ansteuern des Synchronmotors.
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