DE4214848C2 - Permanentmagnetische Zentralkupplung mit Spalttopf von getrennten Wellen - Google Patents
Permanentmagnetische Zentralkupplung mit Spalttopf von getrennten WellenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine permanent-magnetische Zentralkupplung von getrennten Wellen für eine
Pumpe, ein Rührwerk oder eine Armatur, bei der ein Kupplungsteil einen permanent-
magnetbesetzten Treiber auf einen zentral permanent-magnetbesetzten
Rotor durch Magnetkraft über einen hermetisch dichten Spalttopf wirkend, der
zwei Räume voneinander trennt, synchron ein Drehmoment überträgt.
Magnetkupplungen mit einem Spaltrohr, einem Spalttopf oder aber einer Trennbüchse
haben sich seit Jahren für derartige Permanent-Magnetantriebe für
Pumpen und Rührwerke bewährt. Derartige Magnetkupplungen sind aus den Druckschriften DE 37 12 459 C2 und DE 39 41 444 A1 bekannt.
Hier läuft der Rotor und seine Lager in der Regel in der Förderflüssigkeit,
die auch ggf. in dem Spalttopf durch Wirbelströme erzeugte Verlustwärme
abführt. Die hervorragende Dichtigkeit aufgrund des Spalttopfes, die leicht
beherrschbare statische Dichtungen an den Flanschen und Schraubverbindungen
mit sich bringt, wird erkauft durch eine völlig gekapselte Lagerung des
Rotors, deren Zustand nur durch eine Demontage des entsprechenden Aggregates
kontrolliert werden kann. Aufgrund dieser Tatsache sind drohende Lagerschäden
schwer zu erkennen.
Um bei einem Lagerschaden des Rotors eine Beschädigung des Spalttopfes und
damit ein Austreten der Förder-, Rühr- oder abzusperrenden Flüssigkeit zu
verhindern, ist schon vorgeschlagen worden, den Spalttopf doppelschalig
auszubilden und das zwischen den Schalen angeordnete Wegenetz mit Hilfe
einer Drucküberwachung dauernd hinsichtlich einer Beschädigung zu überprüfen.
Der Aufwand für derartige doppelschalige Spalttöpfe ist relativ groß,
außerdem sinkt wegen der insgesamt größeren Wandstärke des jeweiligen Spalttopfes
der Wirkungsgrad der Permanent-Magnetkupplung ab, da die sich anziehenden
Magnete des Treibers und des Rotors einen größeren Abstand zueinander
einnehmen als bei einem einschaligen Spalttopf.
Aus der Druckschrift DE 25 59 042 A1 ist eine
Spalttopfkupplung für eine Pumpe bekannt, bei der ein
permanent-magnetisches Kupplungsteil zu beiden Seiten von
Permanentmagneten eines zweiten Kupplungsteils sich in
radialer Richtung erstreckt.
Aus den Druckschriften DE 37 12 459 C2, DE 27 55 503 A1 und EP
290 824 A2 sind weitere magnetische Pumpenantriebe bzw.
Magnetkupplungen bekannt, wobei die Lagerung des Abtriebteils
sich auf der wellenentfernten Seite befindet. Die
Sicherheitsaspekte von Magnetkupplungen, insbesondere die
Anordnung von Dichtungselementen sowie die Verwendung eines
Sperrmediums sind in den Druckschriften DE 38 18 890 A1 und EP
386 315 A1 im einzelnen beschrieben. Schließlich ist aus der
Druckschrift DE 39 41 444 A1 ein Permanentmagnetantrieb für
eine Pumpe, ein Rührwerk oder eine Armatur nach dem
Prinzip einer Zentraldrehkupplung bekannt, der mit an
Lagerringen abgestützten Magneten an einem Rotor versehen ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine permanent-magnetische
Zentralkupplung von getrennten Wellen für eine Pumpe, ein
Rührwerk oder eine Armatur mit einem Spalttopf zu schaffen,
mit der eine Erhöhung des Drehmoments pro Magnetvolumen
erzielbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die Kombination der im Patentanspruch
1 definierten Merkmale gelöst. Gemäß diesen Merkmalen hat das
eine Kupplungsteil mindestens zwei koaxiale, radial
benachbarte Abschnitte, die mindestens einen Abschnitt des
anderen Kupplungsteils umgreifen, so daß in radialer Richtung
mehrere Magnete nebeneinander wirken.
Um ein erforderliches Drehmoment synchron sicher zu übertragen, sind die
Permanentmagnete, bezüglich der Leistung des magnetischen Flusses, ausreichend
zu dimensionieren. Hinzu kommt, daß aus Kostengründen eine geringe
Magnetmasse anzustreben ist. Um nun ein möglichst gutes Kosten-Nutzen-Verhältnis
zu erreichen, muß der magnetische Fluß direkt und gebündelt zwischen
den paarweise gegenüberstehenden Polpaaren ohne Verluste wirken können.
Die Übertragungsverluste werden verringert, wenn magnetisierbare Polbrücken
oder Polschuhe anstatt eines üblichen Trägerzylinders, der den magnetischen
Rückschluß bildet, eingesetzt wird. Die als Stand der Technik bekannte Anordnung
der Dipole wird nun erfindungsgemäß dahingehend verbessert, daß radial ein weiterer
Magnet hinzugefügt wird. So ist dann der mittlere Magnetträgerring entweder
das antreibende oder angetriebene Kupplungsteil und besitzt nun auf beiden
Magnetseiten eine Auslenkung der radialen Feldlinien, die erst durch die
relative Verdrehung der beiden Kupplungshälften in der Lage sind, ein Moment
zu übertragen. Der Verdrehwinkel ϕ stellt sich infolge des Lastmoments ein.
Umfangskräfte und damit Drehmomente können jetzt übertragen werden, bis ein
Abreißen der Kupplungsverbindung auftritt. Durch anschließende Überhitzung
der Magnete führt dies zu irreversiblen magnetischen Verlusten. Durch die
beidseitig gleichgerichtete radiale Auslenkung der Feldlinien, ist das zu
übertragende Drehmoment bei drei Magneten, die sich radial gegenüberstehen,
durch die Flußdichte des magnetischen Feldes nicht gleichbedeutend doppelt
so groß. Es ist aber durch Ausnutzung des günstigsten Magnetvolumens von der
antreibenden zur angetriebenen Kupplungshälfte, eine technisch wirtschaftlich
Magnetmassenoptimierung möglich, um wesentlich höhere Drehmomente zu
übertragen. Hier werden Magnete aus hochwertigem
Material, wie Samarium-Kobalt oder Neodym-Eisen-Bor, mit einer hohen, magnetischen
Flußdichte eingesetzt, wie dies in der DE 25 59 042 für eine Stirndrehkupplung
beschrieben ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen definiert.
Zweck des Anspruchs 5 ist es, eine permanent-magnetische
Zentralkupplung so zu verbessern, daß das Medium nicht an die
produktzugewandte Lagerung gelangen und auch eine Beschädigung
des Spalttopfes so gut wie nicht eintreten kann. Das wird
dadurch erreicht, daß eine gasgeschmierte und/oder
trockenlaufende Gleitringdichtung mit oder ohne Lagerung vor
der Magnetkupplung angeordnet wird. Sie dient als
Mediumssperre und soll mit Hilfe eines Sperrgases verhindern,
daß korrosive, abrasive und andere lagerschädigende Medien in
festem, flüssigem oder gasförmigem Zustand in den Lager-,
Spalttopf- und Permanent-Magnetbereich gelangen.
Bevorzugt kann als Inertgas aber auch nichtkorrosives Prozeßgas verwendet werden,
dessen Druck um ca. 1 bar über dem jeweiligen Mediumsdruck liegen sollte.
Dies ist mittels üblicher Nachsteuerungs- und Regeleinrichtungen leicht
zu erreichen.
Durch den Überdruck im Magnetkupplungsbereich strömen geringe Gasmengen über
den Gleitringdichtspalt in Mediumsrichtung.
Durch die Sperrfunktion der mediumsseitigen Gleitringdichtung können bei
Einsatz von Inertgas im Kupplungs- und Lagerbereich die Teile mit nicht-austenitischen
Werkstoffen ausgeführt werden, was eine wesentliche Kosteneinsparung
bringt. Es ist auch möglich, daß die eingesetzten Lager mit Feststoff-
oder Fettschmierung versorgt werden und damit wartungsfrei arbeiten. Sollte
bei extrem hohen Drehzahlen und Belastungen eine Ölnebelschmierung erforderlich
sein, so ist dies ebenfalls möglich, indem eine definierte Ölmenge in
den Doppelspalttopf oder das angetriebene Kupplungsteil gefüllt wird. Die
Antriebsanordnung muß dann vertikal ausgeführt sein. Die Ölleckage kann nach
Bedarf aus einer Fangtasse mit Hilfe eines Saugrohrs aus der Gleitringdichtung
abgezogen werden. Mit der gleichen Einrichtung kann auch der mediumsabgewandte
Gleitringdichtungsraum bespült und gereinigt werden, z. B. von Mediumsrückstand,
welcher über den Dichtspalt eingedrungen ist.
Das antreibende oder angetriebene Kupplungsteil hat sowohl innen als auch
außen jeweils die gleiche Anzahl von Magnetkörpern, wie das Kupplungsteil,
das koaxial zwischen diesem plaziert ist und bei dem die Magnetkrafteinwirkung
des Permanent-Magneten beidseitig zur Drehmomentübertragung genutzt
wird.
Der Spalttopf ist koaxial ausgeführt und nimmt die Lagerung der angetriebenen
Welle auf bzw. ist als Lagerteil ausgebildet. Er überträgt die Lagerkräfte
auf den antreibenden Kupplungsteil, welcher sich wiederum durch eine
Lagerung am Gehäuseteil abstützt.
Ein signifikanter Vorteil der Erfindung wird dadurch erreicht, daß die angetriebene Kupplungshälfte
nach Anspruch 2 nicht fliegend über der eigentlichen Wellenlagerung, sondern
zwischen den Lagerstellen der angetriebenen Welle angeordnet ist. Dadurch
entsteht eine kurzbauende kompakte Kupplungs- und Lagereinheit, die in ihrer
Baugröße gegen genormte (z. B. nach DIN) und eingeführte Gleitringdichtungs-
Kompakteinheiten austauschfähig ist.
Durch diese platzsparende Bauweise vergrößert sich der Anwendungsbereich
wesentlich. Zusätzlich können durch die integrierte Lagerung die Magnetspalte
verringert und bei gleichem Magneteinsatz das übertragene Drehmoment
wesentlich vergrößert werden.
Es ist ein Vorteil der Erfindung, daß durch die Lagerungen ein Anlaufen der
Zentralkupplungsteile an den Spalttopf und eine Beschädigung desselben so
gut wie nicht eintreten kann. Die Lager können Kugel-, Nadel- oder auch
Gleitlager sein. Es ist von Vorteil, wenn selbst der Spalttopf - falls er
aus einem keramischen Werkstoff, z. B. Zirkonoxyd, besteht - teilweise Lagerteil
ist. Geringes Spiel und sehr gute Notlaufeigenschaften sind zu erreichen,
wenn beide Lagerschalen aus einem keramischen Werkstoff gefertigt
sind. Spalttöpfe, die hochdruck- und zugbelastbar sein müssen, sollten aus
austenitischem Material sein. Hier treten zwar geringe Verluste durch Wirbelströme
auf, die jedoch bei hoher Leistungsdichte und großem Verdrehwinkel
den Spalttopf erheblich aufheizen können. Dieser ist dann allerdings mit
einem Fremdmedium, z. B. Wasser, zu kühlen. Um dies zu ermöglichen, ist eine
weitere Gleitringdichtung am antreibenden Kupplungsteil zur Atmosphäre hin
angeordnet, damit das Kühlmedium nicht aus dem Kühlkreislauf treten kann.
Zusätzlich läßt sich dieser Raum auch beheizen, wenn Medien mit Tiefsttemperaturen
gepumpt und hermetisch abgedichtet werden müssen. Um aber auch das
hermetische Sicherheitskonzept aufrechtzuhalten, ist eine ständige Kontrolle
mit Hilfe von Dichtheitsprüfeinrichtungen, wie Leckdetektoren, Schnüffler,
Druck- oder Temperaturwächter, notwendig. Dies kann ohne großen Aufwand,
im Gegensatz zum Doppelspalttopf, erreicht werden, wenn die Überwachungsorgane
den Kühl-oder Heizraum kontrollieren. Auch können damit Kriechleckagen,
die sich dort ansammeln, festgestellt werden, um dann vorbeugende
Maßnahmen zu treffen.
Bei Höchstdrücken, z. B. über 100 bar, ist es erforderlich, daß die Manteldicke
je nach Länge des Spalttopfes verstärkt werden muß, um einer Blähverformung
entgegenzuwirken.
Nach Anspruch 6 trägt der innere oder äußere dünnwandige
Spalttopfzylinder eine oder mehrere Stützringe, Stützscheiben oder Lagerringe,
um ein elastisches Ein- oder Ausbeulen oder eine plastische Beulverformung
zu unterbinden.
Eine weitere Zentralkupplungsvariante ergibt sich, wenn der antreibende
Kupplungsteil nicht mit Permanentmagneten bestückt, sondern mehrere Erregerwicklungen
trägt, die durch regelbaren Gleichstrom gespeist die erforderliche
Polpaarbildung erzeugt. Der Vorteil liegt hier beim steuerbaren Anlaufdrehmoment,
das durch die kurzzeitige Steigerung des magnetischen Flusses
ein Abreißen der Kupplungswirkung verhindert.
Die hier auftretende, zusätzliche Erwärmung kann durch eine Kühleinrichtung,
wie bereits beschrieben, abgeführt werden. Zu beachten wäre allerdings, daß
hier Teilentladungen oder die Durchschlagspannung der Wicklung beim Einsatz
im Ex-Bereich eine Bauartzulassung erforderlich macht. Dagegen ist eine
permanent-magnetische Zentralkupplung nicht abnahmepflichtig, da diese nicht
VDE-Richtlinien unterliegt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichungen
näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht durch eine permanent-magnetische
Zentralkupplung eines Rührwerkantriebs mit einem koaxialen,
hermetisch dichten Spalttopf gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht (ähnlich Fig. 1) einer Zentralkupplung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, bei dem jedoch
das antreibende Kupplungsteil mit dem angetriebenen glockenartigen Kupplungsteil vertauscht
wurde.
Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht (ähnlich Fig. 2) einer Zentralkupplung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, bei dem die produktseitige
Gleitringdichtung und Lagerung an einer anderen Stelle des angetriebenen
Kupplungsteils positioniert sind.
Die in Fig. 1, 2 und 3 wiedergegebene Darstellung einer permanent-magnetischen
Zentralkupplung von getrennten Wellen stellt jeweils einen Obenantrieb
mit vertikaler Welle für Pumpen, Rührwerke oder Armaturen dar.
Der Einfachheit halber wird bezüglich An- und Abtrieb nichts weiter wiedergegeben,
da auch diesbezüglich die Erfindung bekannte Möglichkeiten zuläßt.
Nicht wiedergegeben ist die glockenartige Ringform der Kupplungshälften, da
auch diesbezüglich die Erfindung bekannte Wege geht; ebenso wie Magnetdipole
einen in sich geschlossenen Ring und mehrere Ringe hintereinander angeordnet
das Kupplungsteil bilden.
Die in Fig. 1 wiedergegebene Zentralkupplung ist für ein Rührwerk mit Obenantrieb
vorgesehen, an dem unten am Antriebswellenanschluß (12) die Rührerwelle
mit Rührorgan fest angeschraubt wird und im Mediumsbereich (4) läuft.
Oben befindet sich der Wellenanschlag (13) für den Antrieb von einem Getriebe
oder direkt vom Motor, der an die kompakte Kupplungseinheit angeflanscht
werden kann.
Mit der Antriebswelle (13) fest verbunden, ist das antreibende Kupplungsteil
(1), welches hohlzylindrisch ausgebildet ist und ringförmig die einzelnen
Magnete (6) aufnimmt, die einmal innen und außen aufgeklebt oder formschlüssig
befestigt sind.
Weiterhin ist im Kupplungsteil (1) ein Loslager (7′) zur Abstützung des
Spalttopfes (3) vorhanden. Ein weiteres Lagerpaar (14) lagert die Antriebswelle
im Kompaktgehäuseteil (15), welches auf dem Rührbehälter fest verschraubt
ist.
Über den koaxialen Spalttopf (3), der im Kompaktgehäuseteil (15) fest verschraubt
ist, wird das Drehmoment vom antreibenden Kupplungsteil (1) auf das
angetriebene glockenförmige Kupplungsteil (2), welches nur mit einem Magnetringzylinder
aus Einzelmagneten (6) gebildet ist, übertragen. Dieses glockenförmig
angetriebene Kupplungsteil (2) trägt ein Loslager (7), welches sich
seinerseits über den Spalttopf (3) und dessen Lager (7′) am antreibenden
Kupplungsteil (1) abstützen kann. Mit diesem und dem Festlager (16) ist es
möglich, Rührkräfte und Gewicht der Rührerwelle über den Antriebswellenanschluß
(12) vom Kompaktgehäuse (15) aufzunehmen und sicher abzustützen. Es
ist deutlich zu erkennen, daß atmosphärenseitig (5) der Spalttopf (3) mittels
den Anschlüssen (8) mit einem Medium gekühlt, erwärmt oder die Lagerung
(7′) geschmiert werden kann. Mit der Gleitringdichtung (9′) ist dieser Raum
(5) zur Umgebung geschlossen und kann Sicherheits- und Meldeeinrichtungen
dienen.
Eine begrenzte Menge Öl im Raumbereich (4′) dient der Schmierversorgung des
Lagers (7) und kann bei Bedarf durch die Ölnebenschmierwirkung auch das
Lager (16) schmieren. Über die Anschlüsse (10) ist es möglich, den mediumsabgewandten
Raum der Gleitringdichtung (9) zu bespülen und von Schmieröl,
Abrieb- und Produktrückständen zu reinigen. Um Blähverformungen bei hohen
Drücken des dünnwandigen koaxialen Spalttopfes, welcher aus austenitischem
Material besteht, zu vermeiden, können innen wie außen Stützringe (11) angeordnet
werden. Dies ist allerdings in den überwiegenden Fällen nicht notwendig,
da durch die koaxiale Magnetringanordnung die Spalttopfhöhe gering
gehalten werden kann.
Das in Fig. 2 wiedergegebene zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel
gemäß Fig. 1 dadurch, daß hier das antreibende Kupplungsteil (1) glockenartig
gebildet ist. Die Magnete (6) bilden einen geradzahligen Dipolring, der hier
- wie beispielhaft gezeigt - der Treiber (1) ist. Das Loslager (7) der angetriebenen
koaxialen Kupplungshälfte (2) stützt sich direkt am Spalttopfflansch
(3) ab, so daß die Rührerkräfte nicht den dünnwandigen Spalttopfmantel
belasten. Alle anderen Funktionen wie Kühlungs-, Erwärmungs- oder
Schmierversorgung sind wie in Fig. 1 beschrieben.
Wie deutlich in Fig. 2 zu erkennen ist, kann gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel das antreibende Kupplungsteil
(1) mehrere Erregerwicklungen anstatt der Permanent-Magnete tragen und
mittels regelbarem Gleichstrom über Schleifringe die Polpaare antriebsseits
(13) versorgen.
Das in Fig. 3 wiedergegebene dritte Ausführungsbeispiel einer Zentralkupplung unterscheidet
sich von der Ausführung in Fig. 1 und Fig. 2 dadurch, daß sich hier die
Gleitringdichtung nicht am Antriebswellenanschlußstück (12), sondern direkt
am angetriebenen Kupplungsteil (2) befindet. Auch ist hier die Rührerwellenlagerung
von der Loslagerseite (7) und (7′) vom koaxialen Spalttopfdeckel
zu tragen. Dies erfordert eine wesentliche Verstärkung der Spalttopfzylinderrohre
(3), was wiederum eine Abstandsvergrößerung der Magnete, Wirbelstromverluste
und eine Verringerung des zu übertragenden Drehmoments zur Folge
hat.
Claims (7)
1. Permanent-magnetische Zentralkupplung von getrennten
Wellen für eine Pumpe, ein Rührwerk oder eine Armatur mit
einem Spalttopf (3), wobei das ein Kupplungsteil mindestens
zwei koaxiale, radial benachbarte Abschnitte aufweist, die
mindestens einen Abschnitt des anderen Kupplungsteils
umgreifen, so daß in radialer Richtung mehrere Magnete (6)
nebeneinander wirken.
2. Zentralkupplung nach Anspruch 1, wobei
das abtriebseitige Kupplungsteil (2) an seinem, der Welle
abgewandten Ende gelagert ist.
3. Zentralkupplung nach Anspruch 2, wobei
das abtriebseitige Kupplungsteil (2) am anderen
Kupplungsteil über den Spalttopf (3) gelagert ist.
4. Zentralkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei
der Spalttopf (3) atmosphärenseitig mit einem Fremdmedium
(8) gekühlt, erwärmt oder auch das Lager (7′) geschmiert wird.
5. Zentralkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei
der Spalt zwischen der Topfaufnahme und dem angetriebenen
(2) und/oder dem antreibenden (1) Kupplungsteil mit einem
Sperrmedium (10, 8) gefüllt und mittels einer
Gleitringdichtung (9, 9′) abgedichtet ist.
6. Zentralkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei
das antreibende (1) und/oder das angetriebene (2)
Kupplungsteil einen oder mehrere schwimmende Stützringe (11),
-scheiben oder -lager aufnimmt, um bei dünnwandigen
Spalttopfzylindern (3) ein elastisches Ein- oder Ausbeulen und
plastische Beulverformung zu verhindern.
7. Zentralkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei
das antreibende, einfache, zylindrische Kupplungsteil (1)
die gewünschte Magnetkraft mittels Erregerwicklungen durch
regelbaren Gleichstrom erzeugt.
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