DE20008322U1 - Electromagnetic drive system - Google Patents
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Description
Beschreibung
Elektromagnetisches Antriebssystem Description
Electromagnetic drive system
Die Neuerung betrifft ein elektromagnetisches Antriebssystem für einen Verbraucher, der sich innerhalb einer Kammer befindet, die von der Umgebung mindestens teilweise durch eine Wand aus magnetfelddurchlässigem Material getrennt ist.The innovation concerns an electromagnetic drive system for a consumer located within a chamber that is at least partially separated from the environment by a wall made of magnetic field-permeable material.
Allgemein bekannt sind magnetische Rühreinrichtungen mit einer Gerätebasis, welche ein Magnetfeld-Erzeugungssystem enthält ..Auf die Gerätebasis wird ein Rührgefäß aufgesetzt, in welchem sich eine zurührende oder zu durchmischende Flüssigkeit befindet, in die ein magnetischer Rührstab eingebracht ist. Durch Erregung der Magnetspulen mit phasenversetzten Strömen bildet sich über der das Rührgefäß tragenden Fläche der Gerätebasis ein elektromagnetisches Drehfeld aus, welches die Wand des Rührgefäßes durchdringt und mit dem im Rührgefäß befindlichen Rührstab in Wechselwirkung tritt. Das aus der Gerätebasis und dem Rührstab gebildete Antriebssystem stellt somit einen Synchronmotor dar, dessen Polrad hier die Gestalt des magnetischen Rührstabes hat. Dieses Rührstab ist also sowohl Antriebsrotor als auch Verbraucher des Antriebssystems. Magnetic stirring devices with a device base containing a magnetic field generation system are well known. A stirring vessel is placed on the device base, in which there is a liquid to be stirred or mixed, into which a magnetic stirring rod is inserted. By exciting the magnetic coils with phase-shifted currents, an electromagnetic rotating field is formed above the surface of the device base that supports the stirring vessel, which penetrates the wall of the stirring vessel and interacts with the stirring rod in the stirring vessel. The drive system formed by the device base and the stirring rod thus represents a synchronous motor, the magnet wheel of which has the shape of the magnetic stirring rod. This stirring rod is therefore both the drive rotor and the consumer of the drive system.
Verbraucher, welche höhere Antriebsdrehmomente erforderlich machen, etwa in einer Kammer befindliche Pumpen, Lüfterräder oder Rührflügel, werden im allgemeinen von einem außerhalb der Kammer befindlichen Antriebsmotor aus, mittels einer Welle angetrieben, welche über eine gas- oder flüssigkeitsdichte Durchführung in die Kammer zu dem betreffenden Verbraucher reicht. Die sichere Abdichtung der rotierenden Antriebswelle bereitet jedoch mitunter Schwierigkeiten.Consumers that require higher drive torques, such as pumps, fan wheels or agitator blades located in a chamber, are generally driven by a drive motor located outside the chamber by means of a shaft that extends into the chamber to the consumer in question via a gas- or liquid-tight passage. However, the secure sealing of the rotating drive shaft can sometimes be difficult.
Eine dichte Durchführung der Antriebswelle für den in einer Kammer befindlichen Verbraucher konnte durch ein Antriebssystem vermieden werden, das in der deutschen Offenlegungsschrift 197 39 785 beschrieben ist. Dieses bekannte Antriebssystem für einenA tight passage of the drive shaft for the consumer located in a chamber could be avoided by a drive system that is described in the German laid-open specification 197 39 785. This known drive system for a
[File: 100276283 // HK01K04] Beschreibung * $JM*ai &Idigr;&thgr;0&thgr;1 &Igr; Elektromagnetisches Antriebssystem H+P Labortechnik GmbH[File: 100276283 // HK01K04] Description * $JM*ai &Idigr;&thgr;0&thgr;1 &Igr; Electromagnetic drive system H+P Labortechnik GmbH
Verbraucher, der sich innerhalb einer Kammer befindet, die von der Umgebung mindestens teilweise durch eine Wand aus magnetfelddurchlässigem Material getrennt ist, enthält außerhalb der Kammer befindliche, zyklisch phasenverschoben strombeaufschlagte Erregerspulen zur Erzeugung eines Bereiche des Kammerinnenraumes durchsetzenden magnetischen Drehfeldes, welches mit einem im Kammerinnenraum befindlichen und dort drehbar gelagerten Rotor in Wechselwirkung tritt, und ein mit Permanentmagneten bestücktes Magnetpolrad, das einerseits ein mit dem Magnetfeld der Erregerspulen in Wechselwirkung tretendes Primärmagnetfeld und anderseits das Bereiche des Kammerinnenraumes durchsetzende magnetische Drehfeld als Sekundärmagnetfeld erzeugt. In diesem Antriebssystem ist also das mit Permanentmagneten besetzte Magnetpolrad einerseits als Rotor eines außerhalb der Kammer befindlichen Synchronmotors und andererseits als der außerhalb der Kammer befindliche Teil einer durch die Kammerwand hindurch wirkenden Magnetkupplung zu betrachten, deren in der Kammer befindliche Teil der mit dem Verbraucher gekuppelte Rotor ist.Consumer, which is located inside a chamber which is at least partially separated from the environment by a wall made of material permeable to magnetic fields, contains excitation coils located outside the chamber which are cyclically phase-shifted and energized to generate a rotating magnetic field which passes through areas of the chamber interior and interacts with a rotor located inside the chamber and mounted there for rotation, and a magnetic pole wheel equipped with permanent magnets which, on the one hand, generates a primary magnetic field which interacts with the magnetic field of the excitation coils and, on the other hand, generates the rotating magnetic field which passes through areas of the chamber interior as a secondary magnetic field. In this drive system, the magnetic pole wheel equipped with permanent magnets is therefore to be regarded on the one hand as the rotor of a synchronous motor located outside the chamber and on the other hand as the part outside the chamber of a magnetic coupling which acts through the chamber wall, the part of which located inside the chamber is the rotor coupled to the consumer.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Ziel der vorliegenden Neuerung, ein elektromagnetisches Antriebssystem der eingangs definierten Art so auszugestalten, daß der Aufbau vereinfacht, die Abmessungen in Axialrichtung vermindert, die erzielbaren Antriebsmomente erhöht und der Wirkungsgrad verbessert werden.Based on this state of the art, the aim of the present innovation is to design an electromagnetic drive system of the type defined at the outset in such a way that the structure is simplified, the dimensions in the axial direction are reduced, the achievable drive torques are increased and the efficiency is improved.
Dieses Ziel wird; !neuerungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der dem Anspruch 1 nachgeordneten Ansprüche.This aim is achieved according to the invention by the features specified in claim 1. Advantageous embodiments and further developments are the subject of the claims subordinate to claim 1.
Das der Neuerung zugrundeliegende Prinzip besteht darin, für den über den Rotor innerhalb der Kammer geführten magnetischen Schließungskreis dadurch einen Minimalwert des magnetischen Widerstandes zu erzielen, daß die Luftspalte in diesem Kreis in den Kammerinnenraum hinein verlegt werden und verhältnismäßig eng ausgebildet werden können, da sie nicht gleichzeitig auch der magnetfelddurchlässigen Wand zwisehen Kammerinnenraum und der freien Umgebung Platz bieten müssen.The principle underlying the innovation is to achieve a minimum value of magnetic resistance for the magnetic closure circuit guided over the rotor within the chamber by moving the air gaps in this circuit into the interior of the chamber and allowing them to be made relatively narrow, since they do not have to simultaneously provide space for the magnetic field-permeable wall between the interior of the chamber and the free environment.
[File: 100276283//&EEgr;&Kgr;01&Kgr;04] Beschtiibueg *^ai Φ&thgr;&thgr;! 5*&iacgr; it t
Elektromagnetisches Antriebssystem
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Electromagnetic drive system
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Nachfolgend werden Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es stellen dar:The following embodiments are explained in more detail using the drawings. They show:
Figur 1 eine perspektivische, teilweise in einem Axialschnitt gezeigte Ansicht eines elektromagnetischen Antriebssystems der hier angegebenen Art unter Weglassung einiger Teile aus Gründen der Übersichtlichkeit; undFigure 1 is a perspective view, partly in axial section, of an electromagnetic drive system of the type specified here, with some parts omitted for reasons of clarity; and
Figur 2 eine Untersicht, d.h. eine Ansicht vom Kammerinnenraum aus, des Antriebssystems nach Figur 1.Figure 2 is a bottom view, i.e. a view from the interior of the chamber, of the drive system according to Figure 1.
In den Zeichnungen ist eine magnetfelddurchlässige Wand eines Behälters oder einer Kammer mit 1 bezeichnet. Die Wand 1 trennt einen Innenraum 2 des betreffenden Behälters oder der Kammer von der freien Umgebung 3. In dem Innenraum 2 kann ein Vakuum oder ein erhöhter Druck, eine tiefe oder hohe Temperatur, eine aggressive Atmosphäre und dergleichen aufrechterhalten sein.In the drawings, a magnetic field-permeable wall of a container or chamber is designated by 1. The wall 1 separates an interior space 2 of the container or chamber in question from the free environment 3. A vacuum or an increased pressure, a low or high temperature, an aggressive atmosphere and the like can be maintained in the interior space 2.
Innerhalb des Kammerinnenraumes 2 befindet sich ein nicht dargestellter Verbraucher, der durch das hier angegebene Antriebssystem in Umdrehung zu versetzen ist und der mit dem Antriebssystem über eine Hohlwelle 4 gekuppelt ist. Das dem Antriebssystem zugekehrte Ende der Hohlwelle 4 ist über ein Lager 5, beispielsweise ein Kugellager, an einer an der Wand 1 befestigten Achse 6 abgestützt und drehfest mit dem Rotor 7 des Antriebsmotors verbunden. Auf Einzelheiten des Rotors 7 wird weiter unten noch näher eingegangen. Es genügt hier die Feststellung, daß der Rotor 7 mit einem bewegten magnetischen Feld, insbesondere einem Drehfeld in Wechselwirkung kommt und von diesem mitgenommen wird.Inside the chamber interior 2 there is a consumer (not shown) which is set in rotation by the drive system specified here and which is coupled to the drive system via a hollow shaft 4. The end of the hollow shaft 4 facing the drive system is supported by a bearing 5, for example a ball bearing, on an axle 6 attached to the wall 1 and is connected in a rotationally fixed manner to the rotor 7 of the drive motor. Details of the rotor 7 will be discussed in more detail below. It is sufficient to state here that the rotor 7 interacts with a moving magnetic field, in particular a rotating field, and is carried along by it.
Der Rotor 7 ist, wie insbesondere aus der Untersicht von Figur 2 erkennbar ist, von einem Kranz von Polstücken 8 umgeben, welche kreisringsektorförmige Gestalt haben. Von den Polstücken 8 ragen mit Außengewände versehene zylindrische Kerne 9 nach aufwärts jeweils durch Bohrungen 10 der Wand 1, wobei die Bohrungen 10 auf einem Teilkreis liegen, der größeren Durchmesser hat, als der Außendurchmesser des Rotors 7 beträgt. Der Außenumfang des Rotors 7, die von den nach innen weisenden Flächen derThe rotor 7 is, as can be seen particularly from the bottom view of Figure 2, surrounded by a ring of pole pieces 8, which have a circular sector shape. Cylindrical cores 9 provided with outer walls protrude upwards from the pole pieces 8 through holes 10 in the wall 1, whereby the holes 10 lie on a pitch circle which has a larger diameter than the outer diameter of the rotor 7. The outer circumference of the rotor 7, which is surrounded by the inward-facing surfaces of the
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[File: 100276283 // HK01K04] BeschKiburg *5»Mäi 20Qp* Elektromagnetisches Antriebssystem
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Polstücke 8 begrenzte Zylinderfläche und der Teilkreis der Bohrungen 10 sind zu der Hohlwelle 4 und zu der Achse 6 koaxial.Pole pieces 8 limited cylinder surface and the pitch circle of the bores 10 are coaxial to the hollow shaft 4 and to the axis 6.
Die Polstücke 8 sind mittels auf die Kerrie 9 aufgeschraubter, an der Außenseite der Wand 1 aufliegender Muttern 11 unter Zwischenlage von Dichtungsringen 12 gegen die Innenseite der Wand 1 angespannt und festgezogen. Gemäß einer in Figur 2 angedeuteten Abwandlung kann anstelle der einzelnen, jeweils den Rand einer Bohrung 10 umgebenden Dichtungsringe 12 auch ein großer, durchgehender Dichtungsring mit zu den Bohrungen 10 jeweils fluchtenden Bohrungen oder Durchbrüchen vorgesehen sein.The pole pieces 8 are clamped and tightened against the inside of the wall 1 by means of nuts 11 screwed onto the core 9 and resting on the outside of the wall 1 with sealing rings 12 interposed. According to a modification indicated in Figure 2, instead of the individual sealing rings 12 surrounding the edge of a hole 10, a large, continuous sealing ring with holes or openings aligned with the holes 10 can also be provided.
Nach Festziehen der Muttern 11 auf den Kernen 9 werden auf sämtliche dieser Kerne Erregerspulen 14 aufgeschoben. Diese Erregerspulen 14 sind über in Figur 1 nur schematisch angegebene Leitungen 15 zu einer Statorwicklung zusammengeschaltet, welche zyklisch phasenverschoben strombeaufschlagbar ist, derart daß innerhalb des Kammerinnenraumes ein resultierendes bewegtes Magnetfeld, insbesondere ein magnetisches Drehfeld, erzeugt wird.After tightening the nuts 11 on the cores 9, excitation coils 14 are pushed onto all of these cores. These excitation coils 14 are connected together via lines 15, which are only shown schematically in Figure 1, to form a stator winding which can be cyclically supplied with current in a phase-shifted manner, such that a resulting moving magnetic field, in particular a rotating magnetic field, is generated within the chamber interior.
Nach Aufschieben der Erregerspulen 14 wird über sämtliche aufragenden Kerne 9 ein Jochring 16 geschoben, der mit den Bohrungen 10 der Wand 1 jeweils fluchtende Bohrungen 17 zur Aufnahme der Kerne 9 aufweist. Schließlich wird der Jochring 16 durch auf die noch über den Jochring 16 aufragenden Abschnitte der Kerne 9 aufgeschraubte Muttern 18 befestigt. Es versteht sich, daß, wie bereits gesagt, die Wand 1 aus magnetisch nicht aktivem, magnetfelf eiddurchlässigem Material besteht, während die Polstükke 8, die Kerne 9 und der Jochring 16 aus magnetisch aktivem Werkstoff, insbesondere magnetisch weichem Material bestehen, wobei jedenfalls die Polstücke 8 aus derartigem Material unter gleichzeitiger Erfüllung der Anforderung gefertigt sind, daß die Polstükke 8 den im Kammerinnenraum herrschenden Bedingungen standhalten müssen.After the excitation coils 14 have been pushed on, a yoke ring 16 is pushed over all the protruding cores 9, which has holes 17 aligned with the holes 10 in the wall 1 for receiving the cores 9. Finally, the yoke ring 16 is fastened by nuts 18 screwed onto the sections of the cores 9 that still protrude above the yoke ring 16. It is understood that, as already mentioned, the wall 1 consists of a magnetically non-active, magnetic field-permeable material, while the pole pieces 8, the cores 9 and the yoke ring 16 consist of a magnetically active material, in particular a magnetically soft material, whereby the pole pieces 8 are in any case made of such a material while simultaneously fulfilling the requirement that the pole pieces 8 must withstand the conditions prevailing in the chamber interior.
Sind die Polstücke 8 mit den Kernen 9 einstückig ausgebildet, so bestehen selbstverständlich auch die Kerne 9 aus entsprechendem Material, beispielsweise aus nicht rostendem, magnetisch aktivem Material. Sind aber die Polstücke 8 und die Kerne 9 je-If the pole pieces 8 are formed in one piece with the cores 9, then the cores 9 are of course also made of a corresponding material, for example of a non-rusting, magnetically active material. However, if the pole pieces 8 and the cores 9 are
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Elektromagnetisches Antriebssystem
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weils getrennte Bauteile, so müssen nur die Polstücke 8 aus dem den Bedingungen im Kammerinnenraum standhaltenden Werkstoff gefertigt sein und die Kerne 9, welche in Gewindesackbohrungen der Polstücke 8 eingeschraubt sind, können dann aus einem anderen, gegebenenfalls thermisch und/oder chemisch weniger widerstandsfähigen Material bestehen.Because they are separate components, only the pole pieces 8 have to be made of a material that can withstand the conditions in the chamber interior, and the cores 9, which are screwed into threaded blind holes in the pole pieces 8, can then be made of a different material that may be less thermally and/or chemically resistant.
Gemäß einer Abwandlung der in Figur 1 gezeigten Konstruktion können die Kerne 9 fest mit dem Jochring 16 verbunden, beispielsweise verschweißt sein, so daß zur Montage der Jochring und die Kerne zunächst mit den Erregerspulen bestückt und dann mit den den Polstücken 8 zugekehrten Enden in die Bohrungen 10 eingeführt werden, wonach mit Gewindesackbohrungen versehene Polstücke 8 von dem Kammerinnenraum 2 her auf die Kerne aufgeschraubt werden, was wiederum unter Zwischenlage von Dichtungsringen oder einem einzigen, entsprechend großen Dichtungring nach der Art des Dichtungsringes 13 geschieht.According to a modification of the construction shown in Figure 1, the cores 9 can be firmly connected to the yoke ring 16, for example welded, so that for assembly the yoke ring and the cores are first equipped with the excitation coils and then inserted with the ends facing the pole pieces 8 into the holes 10, after which pole pieces 8 provided with threaded blind holes are screwed onto the cores from the chamber interior 2, which in turn takes place with the interposition of sealing rings or a single, appropriately large sealing ring in the manner of the sealing ring 13.
In den Rotor 7 sind Permanentmagnetstücke 19 eingebettet, welche jeweils wechselnde Orientierung ihrer Magnetisierung aufweisen, so daß ein Synchronmaschinenpolrad gebildet ist, dessen Polpaarzahl im vorliegenden Beispiel 2 beträgt.Permanent magnet pieces 19 are embedded in the rotor 7, each of which has a changing orientation of its magnetization, so that a synchronous machine pole wheel is formed, the number of pole pairs of which is 2 in the present example.
Es versteht sich, daß vom Fachmann je nach den Anforderungen des Antriebs für einen speziellen Verbraucher auch andere Polpaarzahlen und andere Zahlen von Erregerspulen 14 gewählt werden können.It is understood that other numbers of pole pairs and other numbers of excitation coils 14 can be selected by a person skilled in the art depending on the requirements of the drive for a specific consumer.
Abweichend von dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel kann der Rotor 7 auch als Asynchron-Kurzschlußläufer ausgebildet sein, welcher mit dem durch die Erregerspulen 14 erzeugten und zwischen den Polstücken 8 zur Wirkung kommenden magnetischen Drehfeld in Wechselwirkung tritt.Deviating from the embodiment shown in Figure 2, the rotor 7 can also be designed as an asynchronous squirrel-cage rotor, which interacts with the rotating magnetic field generated by the excitation coils 14 and acting between the pole pieces 8.
Schließlich kann der Rotor auch ein sich auf das bewegte magnetische Feld ausrichtender und ihm folgender Weicheisen-Rotor sein, etwa ein aus kreuzförmigen BlättchenFinally, the rotor can also be a soft iron rotor that aligns itself with the moving magnetic field and follows it, for example a rotor made of cross-shaped blades
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[File: 100276283//HKOl &Kgr;04] Besch&ibuig *|.&Idigr;&Mgr;5&iacgr; 2&thgr;&thgr;&rgr;" Elektromagnetisches Antriebssystem &EEgr;+&Rgr; Labortechnik GmbH[File: 100276283//HKOl &Kgr;04] Description *|.&Idigr;&Mgr;5&iacgr;2&thgr;&thgr;&rgr;" Electromagnetic drive system &EEgr;+&Rgr; Labortechnik GmbH
zusammengesetztes Blechpaket, welches zwecks Verbesserung der Anlaufeigenschaften einen bestimmten Versatz zwischen den Einzelblechen in Umfangsrichtung aufweist.A composite laminated core which has a certain offset between the individual sheets in the circumferential direction in order to improve the starting properties.
Es sei an dieser Stelle erwähnt, daß bei einer größeren Polzahl des stillstehenden Magnetfelderzeugungssystems das bewegte magnetische Feld auch durch Strombeaufschlagung benachbarter Erregerspulen oder benachbarter Erregerspulengruppen mit wechselnder Stromrichtung gleichsam vorgetäuscht werden kann.It should be mentioned at this point that with a larger number of poles of the stationary magnetic field generation system, the moving magnetic field can also be simulated by applying current to neighboring excitation coils or neighboring excitation coil groups with alternating current direction.
Ein elektromagnetisches Antriebssystem der hier angegebenen Art kann auch, wie der Fachmann aus vorstehendem ersieht, als ein elektromagnetischer Dreh-Schrittmotor verstanden werden.An electromagnetic drive system of the type specified here can also be understood, as the person skilled in the art will see from the above, as an electromagnetic rotary stepper motor.
Um bei größeren, den elektromagnetischen Antriebssystem zu erzeugenden Drehmomenten ein Außertrittfallen des Rotors gegenüber dem bewegten magnetischen Feld zu vermeiden, kann gemäß einer weiteren Abwandlung auch vorgesehen sein, die jeweilige relative Drehstellung des Rotors zu detektieren und die Strombeaufschlagung der Erregerspulen abhängig von dem Detektierungsergebnis zu steuern, was allerdings an sich bekannt ist.In order to prevent the rotor from falling out of step with respect to the moving magnetic field in the case of larger torques to be generated by the electromagnetic drive system, according to a further modification it can also be provided to detect the respective relative rotational position of the rotor and to control the current application to the excitation coils depending on the detection result, which is, however, known per se.
Man erkennt, daß der hier angegebene Antrieb in Axialrichtung minimale Abmessungen aufweist und von, abzudichtenden Durchführungen für rotierende Wellen freigehalten ist. Bei einfachem Aufbau der gesamten Dichtungskonstruktion für die Durchführung der Kerne des Magnetfelderzeugungssystems wird ein minimaler magnetischer Widerstand des über den Rotor geführten magnetischen Schließungskreises erreicht und ein intensives magnetisches Feld unmittelbar in dem innerhalb des Kammerraumes befindlichen Bereich zwischen den Polstücken erzeugt.It can be seen that the drive specified here has minimal dimensions in the axial direction and is free of passages for rotating shafts that need to be sealed. With a simple design of the entire sealing structure for the passage of the cores of the magnetic field generation system, a minimal magnetic resistance of the magnetic closure circuit guided over the rotor is achieved and an intensive magnetic field is generated directly in the area between the pole pieces within the chamber space.
Hat der aus magnetfelddurchlässigem Material bestehende Wandteil die Gestalt eines Behälterdeckels aus Kunststoff, so kann die Anordnung von Kernen auch in den Kunststoff eingegossen werden, wobei die Kerne 9 in dem im Kunststoff eingebetteten Abschnitt mit entsprechenden Bünden zur Verbesserung der Abdichtung versehen sind.If the wall part consisting of magnetic field permeable material has the shape of a container lid made of plastic, the arrangement of cores can also be cast into the plastic, wherein the cores 9 in the section embedded in the plastic are provided with corresponding collars to improve the sealing.
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