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Elektromagnetische Pumpe
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektromagnetische Pumpe zum Pumpen elektrisch leitender
Flüssigkeiten, mit einem Läufer, dessen Polschuhe wendelartig ausgebildet sind, mit einem den Läufer ringförmig umgebenden Rückschlusspfad, mit einer Pumpenzone, die im wesentlichen konzentrisch zu der Achse des Läufers und zwischen Läufer und Rückschlusspfad verläuft und mindestens je einen Ein- und Auslass aufweist, und mit einer dem Läufer zugeordneten magnetischen Einrichtung zur Erzeugung eines
Magnetflusses durch die Pumpzone, wobei die durch die Drehung des Läufers in der Flüssigkeit innerhalb der Pumpzone erzeugten Wirbelströme auf die Flüssigkeit der wendelartigen Form der Pumpzone ent- sprechende Pumpkräfte ausüben.
Die Erfindung beruht auf dem Arbeitsprinzip der in der USA-Patentschrift Nr. 2, 940, 393 beschrie- benen elektromagnetischen Pumpe mit einem Läufer, dessen Polschuhe wendelartig ausgebildet sind.
Bei den an sich bekannten elektromagnetischen Pumpen wird magnetische Energie in Druckenergie umgewandelt. Bei solchen Pumpen, ganz gleich ob mit linearer Induktion, Konduktion oder mit einem rotierenden Feld, wird ein elektromagnetisch erzeugter Druck benutzt, der von dem Fluss eines elektri- schen Stromes durch einen quer zu einem Magnetfeld verlaufenden Leiter erzeugt wird. Besteht der
Leiter aus einer elektrisch leitenden Flüssigkeit, so kann die Richtung der auf die Flüssigkeit einwir- kenden Kraft nach der Dreifingerregel linker Hand der Elektrophysik bestimmt werden. Beim Fluss des
Stromes quer zum Magnetfeld muss die elektrisch leitende Flüssigkeit sich daher gleichfalls quer zu der
Ebene bewegen, die von dem Feld und der Richtung des Stromflusses bestimmt wird.
Es ist aus der franz. Patentschrift Nr. 1. 385. 730 eine elektromagnetische Pumpe zum Pumpen elektrisch leitender Flüssigkeiten bekanntgeworden, die einen mit wendelartigen Polschuhen versehenen
Läufer und eine konzentrisch zu diesem verlaufende Pumpzone in Form eines Hohlzylinders besitzt. Die
Pumpleistung dieser bekannten Pumpe ist, bedingt durch die Form der Pumpzone, gering. Für bestimm- te Zwecke sind elektromagnetische Pumpen erforderlich, die bei vorgegebenen Abmessungen eine we- sentlich grössere Pumpleistung aufweisen sollen.
Diese Druckerhöhung kann bei den bekannten Drehfeldpumpen mit einem Läufer, dessen Polschuhe wendelartig ausgebildet sind, in der Weise bewirkt werden, dass die Anzahl der auf die leitende Flüs- sigkeit einwirkenden Magnetpole vergrössert wird. Witd die Anzahl der Magnetpole vergrössert, so muss jedoch auch der Durchmesser des Läufers vergrössert werden, damit zwischen benachbarten Polen ein ausreichender Abstand am Umfang besteht.
Dieser Abstand ist erforderlich, um den Streufluss zwischen benachbarten Polflächen gering zu halten, wodurch der Wirkungsgrad der Pumpe aufrechterhalten wird. Obwohl der in der Pumpe indu- zierte Druck auch durch Verlängerung des Läufers erhöht werden kann, so könnte auch die Anzahl der
Umläufe der Pole des Läufers vergrössert werden, so dass jeder Pol über eine grössere Strecke wirken kann. Diese beiden abmessungsmässigen Änderungen, d. h. ein vergrösserter Durchmesser und eine grö- ssere Länge des Läufers zwecks Erhöhung des in der Pumpe erzeugten Druckes sind jedoch häufig uner- wünscht in den Fällen, in denen die Höchstabmessungen einer Pumpe mit wendelförmigem Läufer und trennwandloser Pumpzone begrenzt sind.
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Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer elektromagnetischen Pumpe sowohl mit einer neuen und verbesserten Pumpzone für den mit wendelartigen Polschuhen versehenen Läufer zwecks Erhöhung des in der Pumpe induzierten Druckes, als auch einer neuen und verbesserten Pumpzone mit einem wendelför- migen Aufbau, der den Aufbau des Läufers der Pumpe ergänzt, als auch einer verbesserten Pumpzone, i in der der in der Pumpe induzierte Druck erhöht und die Gesamtanzahl der Polflächen des Läufers her- abgesetzt ist, als auch einer verbesserten Pumpzone, zwecks Erhöhung des in der Pumpe induzierten
Druckes, ohne die Abmessungen des Läufers, dessen Polschuhe wendelartig ausgebildet sind, zu vergrö- ssem, sowie einer verbesserten Pumpzone, mit einem wendelförmigen Aufbau,
mit der zugleich geson- derte leitende Flüssigkeiten gepumpt werden können.
Erreicht wird dies erfindungsgemäss dadurch, dass die Pumpzone einen wendelartigen Kanal umfasst, der mit den wendelförmigen Polschuhkanten des Läufers im wesentlichen einen Winkel von 900 ein- schliesst.
Zweckmässiger Weise ist hiefür der Kanal durch wenigstens eine in der Pumpenzone angeordnete wendelartige Rippe gebildet. Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung folgen aus der nachstehen- den erläuternden Beschreibung von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen, in der Fig. l eine schaubildliche Darstellung der in die Einzelteile zerlegten elektromagnetischen Pumpe mit einem
Läufer, dessen Polschuhe wendelartig ausgebildet sind, Fig. 2 eine zum Teil als Schnitt gezeichnete schaubildliche Darstellung der verbesserten Pumpzone für die Pumpe nach Fig. 1, Fig. 3 ein Ausschnitt aus einer schaubildlichen Darstellung einer andern Ausführungsform der verbesserten Pumpzone nach der
Fig. 2, Fig. 4 eine schaubildliche Darstellung sowie eine Abwicklung des Pumpenläufers mit wendelarti- gen Polschuhen nach der Fig.
1 und der verbesserten Pumpzone nach der Fig. 2 und die Fig. 5 eine zum
Teil als Schnitt gezeichnete schaubildliche Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Pumpzone für die in der Fig. 1 dargestellte Pumpe zeigt.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist eine elektromagnetische Pumpe mit einem Läufer, des- sen Polschuhe wendelartig ausgebildet sind, vorgesehen, die eine verbesserte wendelförmige Pumpzone aufweist, welche zwischen einem drehbaren wendelförmigen Läufer und einem Flussrückschlusspfad an- geordnet ist, so dass ein Magnetfeld, das von einer dem Läufer zugeordneten magnetischen Einrichtung erzeugt wird, Wirbelströme induziert, die in der Pumpzone in mindestens einer leitenden Flüssigkeit fliessen. Die Pumpzone weist die gleiche Form auf, wie der wendelförmige Läufer, wobei die Wirbel- ströme mit dem Magnetfeld zusammenwirken und auf die Flüssigkeit Pumpkräfte ausüben, die sich dem wendelförmigen Aufbau der verbesserten Pumpzone anpassen.
Die Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform des mit wendelartigen Polschuhen versehenen Läufers der
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--10-- an- vorgesehenen Polschuhkanten-16-- ist eine Feldspulenwicklung --14-- gewickelt, die eine elektrische Verbindung mit einer äusseren Gleichstromquelle --18-- aufweist, welche aus Leitern, Bürsten und Schleifringen --20-- besteht. Die Feldwicklung --14-- ist so angeschlossen, dass benachbarte elektromagnetische Feldpole des Läufers --10-- Pole mit entgegengesetzter Polarität erzeugen, die ihrerseits ein Magnetfeld um den Läufer --10-- herum erzeugen, dessen Form dem wendelartigen Aufbau der Polschuhe des Läufers entspricht.
Nach den Fig. 1 und 2 ist eine verbesserte Pumpzone --22-- gemäss der Erfindung zwischen einem
Einlass --24-- und einem Auslass --26--, mit diesen in Verbindung stehend, vorgesehen. Um die Aussenwandung der Pumpzone --22-- herum ist ein magnetischer Aufbau--28-- in geeigneter Ausführung angeordnet, der einen Rückschlusspfad für das Magnetfeld bildet, wodurch der Streufluss vermindert wird.
Gemäss Fig. 2 weist die Pumpzone einen oder mehrere wendelartige Rippen, z. B. --30--, auf.
Nach der Fig. 3 ist ferner vorgesehen, die Pumpzone.... -22-- mit einer oder mehreren wendelartigen Rippen --31-- auszustatten. Die Rippe --31-- verläuft radial einwärts von der Aussenwandung der Pumpzone--22-- ausgehend und endet an einer von der Innenwandung der Pumpzone entfernten Stelle, wodurch ein wendelartiger Teilströmungskanal --33-- geschaffen ist.
Nach der Fig. 2 weisen benachbarte Windungen derwendelartigen Rippe --30-- einen Abstand voneinander auf, wodurch ein wendelartiger Kanal --32-- entsteht, der sich durch die Pumpzone hindurch erstreckt. Der wendelartige Kanal --32-- nach der Fig. 2 und der wendelartige Teilströmungskanal - nach der Fig. 3 verlaufen nach der Erfindung in Richtung des Umfanges entgegengesetzt geneigt wie die wendelförmigen Polschuhkanten --16-- des Läufers --10-- nach der Fig. 1.
Der Läufer weist daher ein Rechtsgewinde auf, während die Strömungskanäle nach Art eines Links-
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gewindes verlaufen. Weist der Läufer ein Linksgewinde auf, so sind die Strömungskanäle nach Art eines
Rechtsgewindes angeordnet. Die beiden verschiedenen Gewinde und die verbesserte wendelförmige
Pumpzone bewirken eine Induktion erhöhter Pumpendrücke, ohne dass die Abmessungen des Läufers ver- grössert zu werden brauchen. Diese Erhöhung der induzierten Pumpendrücke ist aus der Fig. 4 ersichti lich.
Der in der Fig. 1 dargestellte mehrpolige Läufer --10--, dessen Polschuhe wendelartig ausgebildet sind, ist in Fig. 4 schaubildlich dargestellt, wobei ein Teil einer Ausführungsform der neuen und ver- besserten Pumpzone --22-- nach der Erfindung (Fig. 2) am Umfang des Läufers gezeigt ist. Der Läufer - weist vier Magnetpole --34 bis 37-- auf, die aus elektromagnetischen, permanentmagnetischen
Material oder aus beiden zusammen bestehen können.
Bei einer Abwicklung des vierpoligen Läufers --10-- und der Pumpzone-22-- in einer Ebene, schneidet jede der Polflächen --34 bis 37-- den abgewickelten wendelartigen Kanal--32-- unter einem
Winkel von im wesentlichen 900. Längs der an den Polflächen --34 und 35-- dargestellten Strompfade --a bis B und C bis D-- werden in der Pumpzone --22-- in einer leitenden Flüssigkeit elektrische Wir- belströme induziert.
An den übrigen Polflächen--36 und 37-- besteht die gleiche Beziehung zu den induzierten Wirbel- strömen, die in der leitenden Flüssigkeit über Pfade fliessen, deren Verlauf dem wendelförmigen Verlauf der Läuferpolflächen entspricht. Unter Anwendung der Dreifingerregel linker Hand nach der Elektrophy- sik verläuft die Richtung des elektromagnetischen Druckes oder der Kraft-FR--, der (die) auf die lei- tende Flüssigkeit im wendelartigen Kanal --32-- der Pumpzone --22-- ausgeübt wird. senkrecht zur
Neigungskante einer jeden Polfläche und damit parallel zum Kanal--32-- der Pumpzone --22--.
Der Kraftvektor --FR-- ist die Resultierende eines axialen Vektors--fa-und eines Umfangsvek- tors-fc-. Der axiale Vektor --fa-- verleiht der leitenden Flüssigkeit eine gewünschte Geschwindig- keit und bewegt die leitende Flüssigkeit axial durch die Pumpzone --22--.
Bei den bisher bekannten elektromagnetischen Drehfeldpumpen wird in Richtung des Umfanges wir- kende Kraft --Fc-- ausgeübt und nicht die resultierende Kraft--FR--nach der Fig. 4, da die Läuferpole bei den bekannten Pumpen nicht wendelartig angeordnet sind. In den Pumpzonen der bekannten Pum- pen mussten geeignete Rippen unter einem Winkel Kraft --FC--angeordnet werden, damit eine Pumpwirkung erfolgen konnte. Die Kraft --Fc-- wird durch die Rippen in eine senkrecht zu den
Rippen verlaufende, sowie in eine parallel zu den Rippen verlaufende Vektorkomponente aufgespal- ten.
Bei den bekannten Pumpen ist die resultierende Pumpwirkung lediglich eine Folge der parallel zu den Rippen verlaufenden Vektorkomponenten von --Fc--'Diese Komponente ist jedoch wesentlich kleiner als die Kraft-Fe-, da sie das Produkt aus --Fc-- und der Kosinusfunktion des Winkels --0-- ist, die kleiner als Eins ist.
Da bei der Pumpe nach der Erfindung der in axialer Richtung verlaufende Vektor --fa-- auftritt, so ist eine Aufspaltung von --FR-- nicht erforderlich. Der Winkel --8-- ist daher gleich Null, und die
Kosinusfunktion gleich Eins. Dadurch erzeugt die erfindungsgemässe Pumpe einen erhöhten Pumpdruck. da die Eingangsleistung der Pumpe nicht vergeudet wird. Bei den bekannten Pumpen wird die Eingangs- leistung durch die Aufspaltung der in Richtung des Umfanges wirkenden Kraft --Fc-- über den Winkel - vergeudet.
Gemäss Fig. 2 wird durch die wendelartige Rippe --30-- der wendelartige Kanal--32- - geschaf- fen, der sich mehrmals um den Läufer --10-- über dessen Gesamtlänge erstreckt. Bei der in der Fig. 4 dargestellten Abwicklung überlagern die verschiedenen Windungen des wendelartigen Kanals --32-- die abgewickelten Polflächen --34 bis 37-- des Läufers --10--. Die wendelartige Rippe --30-- teilt jede
Polfläche in eine Anzahl von benachbarten Polsegmenten auf, von denen jedes Segment auf das Volu- men leitender Flüssigkeit in demjenigen Teil des Strömungskanals einwirkt, der an das Polsegment un- mittelbar angrenzt.
Jedes Polsegment erzeugt daher eine resultierende Kraft die auf die zu pumpende Flüssigkeit einen Druck ausübt. Da durch die verschiedenen Windungen des Strömungskanals --32-- ein bestimmtes Flüssigkeitsvolumen hindurchströmt, so übt jedes Polsegment auf die Flüssigkeit einen Druck aus, der nach der Vektoranalysis addierend wirkt, welcher addierende Effekt zu einer wesentlichen Erhöhung des erzeugten Pumpdruckes führt.
Der erzeugte Pumpdruck könnte noch weiterhin erhöht werden, wenn ein mit wendelartigen Polschuhen versehener Läufer vorgesehen wäre, der eine grössere Anzahl von Polflächen aufweist als der Läufer --10-- mit den Polflächen --34 bis 37--. Jedoch müsste der Durchmesser eines solchen, eine
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schen benachbarten Polflächen gering zu halten.
Wenn gewünscht, kann die Anzahl der Polflächen auch vermindert werden, da der wendelförmige
Aufbau der Pumpzone --22-- nach der Erfindung den Aufbau des Läufers --10-- ergänzt. Der Verlauf des wendelartigen Kanals --32-- setzt die zu pumpende leitende Flüssigkeit der Wirkung der resultie- renden Kräfte --FR-- aus, die von jedem Po1flächensegment erzeugt werden, wobei die sich addieren- den Kräfte eine wesentliche Erhöhung des induzierten Pumpdruckes bewirken, die mit den bekannten elektromagnetischen Drehfeldpumpen nicht erzielt werden kann, die eine trennwandlose Pumpzone mit den gleichen Abmessungen aufweisen.
Die Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der neuen und verbesserten Pumpzone. Wenn bei
Hochdruckpumpen eine zusätzliche Festigkeit erforderlich ist, so kann die Pumpzone --22-- nach den
Fig. 2 und 3 durch ein wendelartiges Rohr --40-- ersetzt werden, das einen Strömungskanal darstellt, der um den Pumpenläufer in der gleichen Weise gewunden ist, wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform. Obwohl nur ein einzelnes wendelartiges Rohr --40-- dargestellt ist, kann jedoch nach der
Erfindung die Pumpzone aus mehreren wendelartigen Rohren bestehen, so dass gesonderte leitende Flüssigkeiten aus gesonderten Einrichtungen gepumpt werden können.
Wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 4 beschrieben worden ist, werden auch in diesem Falle in jeder Windung des Rohres --40-- Kräfte --FR-- erzeugt, die sich nach der Vektoranalysis addieren und einen Gesamtpumpdruck erzeugen, der wesentlich grösser ist als der Druck, der mit einer bekannten, eine trennwandlose Pumpzone mit den gleichen Abmessungen aufweisenden Pumpe erzielt werden kann.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung zu ersehen ist, sind gewisse Merkmale der Erfindung nicht auf bestimmte Einzelheiten der dargestellten Konstruktion beschränkt. Obwohl die Quelle des Magnetflusses nach der Fig. l bis 4 aus einem Läufer, dessen Polschuhe wendelartig ausgebildet sind, mit einer erregten Feldwicklung besteht, so kann der Magnetfluss auch durch schräg angeordnete Permanentmagnete, die einen mit wendelartigen Polschuhen versehenen Läufer bilden, erzeugt werden oder auch durch eine Kombination von Elektromagneten und Permanentmagneten. Ein aus Permanentmagneten bestehender Läufer mit wendelartigen Polschuhen eignet sich besonders als Magnetflussquelle für kleine Pumpen bei der Erzeugung der auf die zu pumpende Flüssigkeit einwirkenden magnetischen Kräfte.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektromagnetische Pumpe zum Pumpen elektrisch leitender Flüssigkeiten, mit einem Läufer, dessen Polschuhe wendelartig ausgebildet sind, mit einem den Läufer ringförmigen umgebenden Rückschlusspfad, mit einer Pumpzone, die im wesentlichen konzentrisch zu der Achse des Läufers und zwischen Läufer und Rückschlusspfad verläuft und mindestens je einem Ein- und Auslass aufweist, und mit einer dem Läufer zugeordneten magnetischen Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetflusses durch die Pumpzone, wobei die durch die Drehung des Läufers in der Flüssigkeit innerhalb der Pumpzone erzeugten Wirbelströme, auf die Flüssigkeit der wendelartigen Form des Läufers entsprechende Pumpkräfte ausüben, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpzone (22) einen wendelartigen Kanal (32) umfasst, der mit den wendelförmigen Polschuhkanten (16)
des Läufers (10) im wesentlichen einen Winkel von 90 einschliesst.