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Die
Anmeldung betrifft eine Anordnung für eine magnetische Flüssigkeitsdichtung,
insbesondere für
Systeme mit stehender Welle, mit mindestens einem aktiven, mit magnetisch
leitfähiger
Flüssigkeit gefüllten Polspalt,
der durch eine stehende und eine um eine Achse rotierende Fläche begrenzt
ist.
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Bekannte
Anordnungen der eingangs genannten Art bestehen aus ein oder zwei
ebenen Scheiben und einem zwischen diesen liegen- den axial magnetisierten
Permanentmagnet. Die beiden Scheiben bestehen aus magnetisierbarem
Material und bilden die Polschuhe. Mindestens der Spalt bei einem
Polschuh und einer Welle wird mit einer magnetisch leitenden Flüssigkeit
gefüllt
und dichtet somit einen über
der Dichtung liegenden Raum von einem unter der Dichtung liegenden
Raum ab.
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Aus
der japanischen Offenlegungsschrift JP 54-10 81 60 ist eine Magnetdichtung
mit einer magnetisierbaren Flüssigkeit
bekannt, bei welcher axial angrenzend eines Polelementes nicht magnetische, genutete,
zylindrische Elemente angeordnet sind. Diese genuteten, nicht magnetischen
Elemente dienen dem Auffangen der magnetisierbare Flüssigkeit, um
ein fliehkraftbedingtes Abschleudern der magnetisierbaren Flüssigkeit
von einer rotierenden Welle zu verhindern. Ein Abriss der magnetisierbaren
Flüssigkeit
von der Welle, welcher zum Verlust der Dichtwirkung führt, kann
dadurch jedoch nicht unterbunden werden.
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Üblicherweise
ist eine solche magnetische Dichtung in einem Motor so eingebaut,
dass die drehende Welle den magnetischen Rückschluss über die beiden Polschuhe bildet
und diese somit nicht rotieren.
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Es
gibt aber auch Systeme, wo es vorteilhaft ist, die Welle stillstehen
zu lassen. In diesem Falle muss die Dichtung, d. h. müssen die
Polschuhe, rotieren. Bei sehr kleinem Wellendurchmesser treten in der
Regel wenig Probleme auf, die Dichtung funktioniert mit einer stehenden
Welle genauso wie mit einer rotierenden Welle. Mit zunehmenden Wellendurchmesser
wird eine solche Dichtung instabil.
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Bei
großem
Wellendurchmesser und vor allem bei entsprechend großer Drehzahl
funktioniert die magnetische Abdichtung gar nicht mehr. Bei einem
großen
Wellendurchmesser sind die magnetischen Kräfte im Luftspalt der Dichtung
evtl. nicht mehr imstande, die magnetisch leitende Flüssigkeit gegen
die Fliehkräfte
im Spalt zu halten.
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Auf
jeden Fall ist eine herkömmlich
aufgebaute Dichtung in einem System mit stehender Welle unstabil,
weil zufällig
aus dem Spalt austretende Flüssigkeit
sofort radial veggeschleudert wird, da die Fliehkräfte radial
zunehmen und die magnetisch wirksame Kraft sehr stark abnimmt. 4 veranschaulicht diese
Zusammenhänge.
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Somit
hat eine gattungsgemäße magnetische
Dichtung insbesondere in Verbindung mit einer stehenden Welle den
großen
Nachteil, daß bereits kleinste
Störungen,
z. B. eine Schockbeanspruchung, ausreichen können, um die Flüssigkeit
aus dem Bereich des noch ausreichend wirksamen magnetischen Feldes
herauszubringen, was selbst bei nicht drehendem Motor geschehen
kann und was bei laufendem Motor zum Abschleudern der Dichtflüssigkeit
und somit zum Ausfall des Systems führt.
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Der
nachstehend beschriebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
eine magnetische Dichtung der eingangs genannten Art, insbesondere
für Systeme
mit stehender, relativ dicker Welle, auch bei hoher Drehzahl betriebssicher
für lange
Lebenszeit zu gestalten.
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Bei
der Erfindung wird durch eine Verlängerung des mechanischen Luftspaltes
zwischen Dichtung und Welle durch ein NICHTMAGNETISCHES, vorzugsweise
PARAMAGNETISCHES Material in mindestens einer axialen Richtung der
Austritt von solcher magnetisch (und oft auch noch elektrisch) leitfähiger Dichtflüssigkeit
aus dem Polspalt bzw. Luftspaltraum verhindert.
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Die
Figuren zeigen in
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1 und 2 einen
Stand der Technik in verschiedener Ausgestaltung
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3 stellt
ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung dar und
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4 und 5 zeigen
Wirkungszusammenhänge,
wie sie für
die Erfindung wichtig sind.
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Wie
in 1 zu sehen, sind solche magnetischen Dichtungen
oft aus ein oder zwei ebenen Polscheiben 1, 4 aufgebaut,
zwischen denen sich ein axial magnetisierter Permanentmagnetring 2 bildet, der
mitsamt diesen Scheiben 1, 4 um eine Achse 100 angeordnet
ist. Diese beiden Scheiben 1, 4 bestehen aus weichmagnetischem,
magnetisierbarem Material und bilden sozusagen die Polschuhe für einen
magnetischen Kreis, der sich von den radialen Innenkanten dieser
Polschuhe aus über
eine Welle 3 schließt.
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Die 1 zeigt
eine rotierende Welle 3 in einer solchen magnetischen Dichtung,
die den oberen Raum 10 vom unteren Raum 20 abdichtend
trennt. Die eine Polscheibe 1 ist an der radialen Innenseite, sozusagen
an ihrem Polschuh, also mit einer magnetisch leitenden Dichtflüssigkeit 44,
wie sie z. B. unter der Handelsbezeichnung Ferrofluidic bekannt
ist, gefüllt.
Der magnetische Kreis schließt
sich vom Permanentmagnetring 2, dessen axiale Magnetisierungsrichtung
durch N/S gekennzeichnet ist, über
die Polscheiben 1 und 4, über die Polspalte zwischen
den Polscheiben 1, 4 und der ebenfalls magnetisierbaren Welle 3.
Der obere Polspalt unter der als Polschuh wirkenden Polscheibe 1 ist
mit dieser Dichtflüssigkeit 44 gefüllt. Unter
einem solchen Polschuh, also auch unter dem unteren Polschuh 4,
ist ein Luftspalt, in dem sich die Dichtflüssigkeit 44 befindet.
Man versteht im Sinne dieser Erfindung also den Polspalt als den
Luftspaltraum, der von der Dichtflüssigkeit 44 im wesentlichen
eingenommen wird.
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In
der Praxis ist es so daß die
relativ dünnen Polscheiben 1, 4 gegenüber der
axial praktisch unbegrenzten Welle 3, radial und konzentrisch
zueinander angeordnet, eine sozusagen sehr kleine Polschuhfläche bilden
(gegenüber
der anderen, den magnetisch wirksamen Luftspalt begrenzenden Oberfläche der Welle 3).
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Dieses
stark unterschiedliche Flächenverhältnis ist
auch bei der umgekehrten Anordnung, wie sie 2 zeigt,
erhalten. Dort rotiert das Abdichtungssystem, das aus den Scheiben 1, 4 mit
dem dazwischenliegenden Permanentmagnetring 2 aufgebaut
ist, um die Achse 100 und die Welle 3 steht im Innern.
Dieser rotierende Ring führt
dadurch, daß er die
magneto-liquide Dichtflüssigkeit 44 mitreißt, eine Schleuderbewegung
auf diese aus, welche durch die Pfeile 6 angedeutet sind.
Gerade an den Innenkanten der Polscheibe 1 macht sich diese
Fliehkraftwirkung bemerkbar, so daß die Flüssigkeit 44 über diese
Kante radial nach außen
gezogen werden kann. Der obere Spalt im Innern des Polschuhs bzw.
der Polscheibe 1 ist mit der magnetisch leitenden Flüssigkeit 44 gefüllt und
dichtet den oberen Raum 10 vom unteren Raum 20 ab
(ebenso wie in 1).
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Solche
Dichtungen werden verwendet in Antriebsmotoren für Hartplattenspeicher, welche
bei einer Drehzahl von 3.000 bis 6.000 U/min rotieren und sie sollen
verhindern, daß in
den Clean room, in dem die Speicherplatten sich bewegen, Schmutz
oder auch Fettpartikel aus dem Motor austreten können. Dieses Problem ist insbesondere
in Verbindung mit sogenannten Inhub-Motoren aktuell, wo also der
Motor als solcher sich im Clean-Raum, und zwar im Inneren in der
Plattennabe, befindet. Auf der Plattennabe sitzen z. B. zwei oder
mehr Speicherplatten, die einen standardisierten Innendurchmesser
haben, der genau auf diese Nabe aufgepaßt ist. Das bedeutet, daß an den
Motor im Innern dieser Nabe hohe Anforderungen bzgl. Leistung, Erhitzung
und eben auch Abgedichtetheit gegenüber dem Clean-Raum gestellt werden.
Bisher hat man zwar vorwiegend solche Motoren verwendet, bei denen
die drehende Welle dem magnetischen Rückschluß über die beiden Polschuhe bildet,
jedoch ist gerade im Zusammenhang mit diesen Inhub-Motoren (wie oben
definiert) die Dichtheit eines solchen Motors in der Praxis oft
problematisch. Da die Fliehkraftwirkung mit dem Quadrat der Drehzahl
ansteigt, versteht es sich, daß bei
langsamen Plattenspeichern, z. B. sogenannten Floppies, wo außerdem die
Reinheitsanforderungen gar nicht so hoch sind, das Problem in diesem
Maß nicht
besteht.
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3 zeigt
nun ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung, wo eine ebene Scheibe aus nichtmagnetischem Material
mit der Ziffer 5 von gleicher Größe wie die ferromagnetische
Polscheibe 1 ist, sie kann sogar genau die gleiche Abmessung
haben, was bedeutet: evtl. sogar aus einem Verbundmaterial in einem
Arbeitsgang gestanzt werden.
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Pfeile 7 kennzeichnen
die Richtung, in der die Dichtflüssigkeit 44 ausweichen
kann, wenn eine Fliehkraftwirkung zustande kommt, wobei die Anordnung
an sich nach 1 oder wie nach 2 grundsätzlich funktionieren
kann, wenngleich in 3 durch den halbrunden Pfeil 77 angedeutet
ist, daß das
konkrete Ausführungsbeispiel
der 3 sich auf eine stehende Welle bezieht. Ein Innenring 66 aus nichtmagnetischem
Material schließt
sich radial auf gleicher Höhe
an die innere Schulter der Polscheibe 1 an. Die radiale
Innenfläche
der Scheibe 5 und der Scheiben 1, 4 und
des Ringes 66 sind also durchgehend, d. h. von gleichem
Durchmesser. Im Sinne der Erfindung ist es jedenfalls, daß der Innendurchmesser
der Scheibe 5 bzw. des Ringes 66 nicht größer ist als
der Innendurchmesser der Polscheibe 1. Er kann sich eher
in Stufen oder stetig noch etwas gegenüber dem Innendurchmesser der
Scheibe 1 verkleinern, dann würde nämlich die Verschlußwirkung
für die Dichtflüssigkeit 44 noch
etwas größer sein.
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Wie
die 5 zeigt, ist das magnetische Feld in axialer Nachbarschaft
des Polschuhs z. B. 1 in der 3 zwar geringfügig schwächer aber
noch immer imstande, die minimal verschobene Flüssigkeit in die optimale Lage
zurückzuholen
(vgl. die Kurven der 5 und 4 (Kraftwert
bei Weg = 0)).
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Paramagnetische
Materialien können
den Effekt der Erfindung noch verstärken.
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Herstellungstechnisch
kann es günstig
sein, die aus Stahlblech hergestellte Polscheibe und das ein- oder
beidseitig anzubringende magnetisch nicht leitende Material 5, 66 im
Verbund herzustellen und gemeinsam zu bearbeiten; beispielsweise
ist ein solches Material ein in Schichten Sandwich-artig aufgebautes,
also ein gewalztes mehrschichtiges Blech mit einem Stahlteil als
Kern und an einer oder beiden Seiten Aluminium.
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Ein
solches mehrschichtiges Blech kann sehr preisgünstig in einem gemeinsamen
Arbeitsgang bearbeitet bzw. gestanzt werden. Plan kann sich das
anschaulich ohne weiters vorstellen, wenn man die magnetisch leitende
also vorzugsweise weichmagnetische Polscheibe 1 mit der
flächengleich
benachbarten, nichtmagnetischen Scheibe 5 (bzw. paramagnetischen
Scheibe 5) betrachtet.
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Die
Erfindung ist also da von Bedeutung, wo man solche magnetischen
Dichtungen bei relativ großen
Drehzahlen und bei nicht zu kleinem Wellendurchmesser verwendet.
Sie können
in Elektromotoren auf dem Gebiet der Signalverarbeitung mit rotierenden
und mit stehenden Wellen angewendet werden. Insbesondere bei solchen
Datenspeichergeräten,
die eine höhere
Drehzahl aufweisen, ist sie wegen der stark zunehmenden Fliehkraftwirkung
mit der Drehzahl von besonderer Bedeutung. Da an die radiale Genauigkeit
und an die Laufgüte
extreme Anforderungen bei solchen Geräten gestellt werden, können auch
die Wellen oft nicht klein dimensioniert werden.
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Die
Erfindung ist selbstverständlich
nicht beschränkt
auf axial erregte Permanentmagnete in solchen Dichtungen. Die Magnete
können
auch durchaus radial magnetisiert sein. Das Entscheidende ist, daß in dem
zylindrischen Dichtluftspalt die magnetisch (und evtl. noch zusätzlich elektrisch
leitende Flüssigkeit
bei Rotation oder sonstiger Bewegung sicher gehalten wird. Hier
stehen sich also immer eine axial kurze, im wesentlichen zylindrische
und eine axial längere
Zylinderfläche
gegenüber,
zwischen denen das Magnetfeld durch die magnetische Dichtflüssigkeit
hindurch treten muß.
Es kann die axial längere oder
die axial kürzere
Stirnfläche
oder Zylinderfläche stehen
bzw. rotieren und, wie mehrfach schon erwähnt, ist das Problem bei stehenden
Wellen größer, insbesondere
dann, wenn die stehende Welle den Polspalt begrenzt. Anordnungen,
bei denen die stehende oder rotierende Welle nicht selbst mit ihrer Oberfläche den
Polspalt bzw. den Luftspalt des Flüssigkeitspolspaltes begrenzt,
bauen ohnehin radial größer und
dort ist das Problem wiederum verschärft, so daß auch dort die Erfindung benützt werden
sollte.