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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Magnetrührsystem mit einem
Rührkern, der sich in einem mit Flüssigkeit gefüllten
Gefäß befindet und der durch ein rotierendes Magnetfeld
in eine Drehbewegung gebracht werden kann. Beispielsweise in Anlagen, bei
denen mehrere chemische Prozesse gleichzeitig und mit gleichbleibenden
Reaktionsbedingungen durchführbar sind, wie zum Beispiel
Mikroreaktoren, die zum Test und zur Entwicklung neuartiger Katalysatoren
eingesetzt werden, ist ein Rühren der zu prüfenden
Medien erforderlich. Aus Platzgründen ist dafür
ein Magnetrührgerät vorteilhaft. Um den Rührvorgang
reproduzierbar zu halten, muss eine Detektion das tatsächliche
Rotieren des Rührkreuzes überwachen. Dies ist
mit herkömmlichen Magnetrührgeräten nicht
möglich.
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Aus
DE 42 01693 C1 ist
ein Magnetrührer mit einem Rührkern, der sich
in einem mit Flüssigkeit gefüllten Gefäß befindet
und der durch ein Magnetfeld in eine Drehbewegung gebracht werden
kann und mit einem Sensor, der die Synchronität zwischen
dem Rührkern und dem antreibenden Magnetfeld überwacht,
bekannt. Das Magnetfeld für die Drehbewegung wird durch
mehrere ortsfeste Spulen erzeugt, die mit mehreren phasenverschobenen
Wechselströmen hochohmig gespeist werden (Wechselstromansteuerung).
Mindestens eine der Spulen dient gleichzeitig als Sensorspule für
die Überwachung der Synchronität zwischen Rührkern
und dem antreibenden Magnetfeld. Auf diese Weise soll eine Überwachung auf
Synchronität ohne einen gesondert einzubauenden Sensor
erfolgen.
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Auch
mit diesem System ist es nicht möglich, das Rotieren des
Rührkerns zuverlässig zu überwachen aufgrund
der ungenügenden Genauigkeit dieses Systems. Nachteilig
ist weiterhin der hohe Temperatureintrag.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Magnetrührsystem zu entwickeln,
welches eine zuverlässige Detektion der Rotation des Rührkerns
und einen Rührvorgang auch bei Medien mit relativ großen
Viskositäten gewährleistet, Rückschlüsse
auf die Viskosität zulässt und die Temperatureinflüsse
reduziert.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen
des ersten Schutzanspruchs gelöst.
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Das
Magnetrührsystem weist einen Rührkörper
auf, der sich in einem mit einem Medium gefüllten Gefäß befindet
und durch ein mittels eines Spulensystems erzeugbares rotierendes
Magnetfeld in eine Drehbewegung bringbar ist und besitzt dazu eine elektronische
Ansteuerung und Regelung, wobei
das Stillstehen des Rührkörpers
detektierbar ist
und/oder
Rückschlüsse
auf die Viskosität des Mediums ziehbar sind
und/oder
das
Magnetfeld höhenjustierbar ist und damit der der Rührkörper
in einen Schwebezustand versetzbar ist
und/oder
die elektronische
Ansteuerung und Regelung entfernt vom Spülensystem angeordnet
ist.
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Mit
dem erfindungsgemäßen System sind entweder einzelne,
mehrere oder alle der vorgenannten Merkmale realisierbar, wodurch
eine neue Gattung von Magnetrührgeräten geschaffen
wird.
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Dabei
sind erstmalig mittels Phasenverschiebungen des Magnetfeldes und/oder
durch die Addition der Phasen mehrere Spulen des Spulensystems und/oder
durch Auswertung der Änderung des Magnetfeldes einer Spule
im Magnetkreis bei veränderlichem magnetischem Widerstand
entweder das Stillstehen des Rührkörpers detektierbar
und/oder Rückschlüsse auf die Viskosität
des Mediums ziehbar. Die Rückschlüsse auf die
Viskosität des Mediums sind dabei insbesondere aus dem
Nachlauf bzw. dem Voreilen des Rührkörpers gegenüber
dem Magnetfeld ziehbar.
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Weiterhin
ist es erstmalig möglich, in Abhängigkeit von
der Viskosität des Mediums die Leistung des Magnetrührsystems
einzustellen.
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Weiterhin
sind mittels einer Hubeinheit das Gefäß und das
Spulensystem relativ zueinander höhenverstellbar. Dadurch
ist es möglich, dass der Rührkern nicht auf dem
Boden des Gefäßes rotiert, sondern über
dem Boden schwebt.
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Das
Spulensystem weist einen Stator und wenigstens drei Spulen oder
wenigstens drei Spulenpaare auf.
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Bevorzugt
wird ein Spulensystem mit sechs Spulenpaaren vorgesehen, wobei die
Spulenpaare in einem Winkel von 60° zueinander versetzt
angeordnet und kreisförmig um eine Längsachse
des Gefäßes angebracht sind.
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Die
Spulen sind mittels pulsfrequenzmodulierter Spannungen ansteuerbar
und alternierend über eine Veränderung der Pulsdauer/Pulsfolge
magnetisierbar und entmagnetisierbar.
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Dabei
sind Impulse unterschiedlicher Dauer erzeugbar, wobei das Verhältnis
zwischen Pausenzeit und Impulszeit und Periodendauer des Gesamtimpulses
bei konstanter Amplitude veränderbar ist.
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Bevorzugt
ist die Pulsdauer kürzer als die Zeit der maximalen Magnetisierung
der Spulen.
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Die
konstruktive Ausführung des Stators sollte im Gefäß unterbrechungsfreie
oder nahezu unterbrechungsfreie Magnetfelder gewährleisten.
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Dazu
ist der Stator mit Polschuhen versehen, welche der Form der Behälterwand
angepasst sind.
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Die
Begrenzungen/Kanten der Polschuhe sind dabei abgerundet oder mit
einer Phase versehen.
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Erfindungsgemäß kann
bei zunehmender Viskosität des Mediums eine Verstärkung
der magnetischen Durchflutung des Rührkörpers
erfolgen. Dies wird dadurch realisiert, dass das magnetische Feld mit
steigender Drehzahl stärker wird.
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Dazu
werden mehrere Einzelspulen zu einer Mehrfachspule (bevorzugt zwei
Einzelspulen zu einer Doppelspule) kombiniert. Die Einzelspulen
sind insbesondere aus Drähten unterschiedlichen Durchmessers
gewickelt und über- oder hintereinander auf einem gemeinsamen
Statorpol angeordnet. Wahlweise sind einzelne, mehrere oder alle
Einzelspulen einer Mehrfachspule zuschaltbar und somit die Leistung
des Magnetrührsystems variierbar.
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Bei
zunehmender Viskosität kann durch Zuschaltung von Einzelspulen
die Leistung erhöht und bei sich verringernder Viskosität
können Einzelspulen abgeschaltet werden, wodurch der Rührvorgang mit
einer verringerten Leistung erfolgt.
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Bevorzugt
wird ein permanentmagnetischer Rührkörper eingesetzt.
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Mit
dem Magnetrührsystem kann ein Medium in Form einer Flüssigkeit,
eines Flüssigkeits-Feststoffgemisches, eines Flüssigkeits-Gasgemisches, eines
Gas-Feststoffgemisches oder eines Flüssigkeits-Gas-Feststoffgemisches
mittels des Rührkörpers gerührt werden.
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Durch
die viskositätsabhängige Leistungsanpassung kann
der Rührvorgang effektiv erfolgen und durch die Möglichkeit
der Erfassung der Viskosität kann der Rührvorgang
bei einer vorgegebenen Viskosität beendet werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
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1:
Reaktormodul,
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2:
verschiedene Gestaltungsmöglichkeiten für Rührkörper,
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3:
prinzipieller Motoraufbau mit sechs Spulen,
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4:
Diagramm der Zuschaltung der Spulen,
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5:
Spulenpaare,
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6:
Konfiguration der Spulen,
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7:
Zusammenspiel von Drehfeld und Rührkreuz.
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In 1 wird
der Längsschnitt eines Reaktormoduls R gezeigt, der ein
Gefäß 1 (bevorzugt aus Edelstahl) mit
einem Boden 1.1 und einer Wandung 1.2 aufweist,
in welchem sich ein Medium 2 befindet und in welchem ein
Rührkörper 3 eingelegt ist. Das Gefäß ist
mittels eines Deckels 1.3 verschließbar, wobei
sich zur Abdichtung zwischen der Wandung 1.2 und dem Deckel 1.3 eine
Dichtung 1.4 befindet. Um den Boden 1.1 und den
sich über dem Boden 1.1 befindlichen Wandbereich
ringt sich ein Spulensystem 4, welches aus einem Stator 5 und
mehreren Spulen 6 besteht. Über dem Spulensystem 4 ist
eine Isolierung 7 angeordnet. Eine bevorzugt aus Aluminium
oder einem anderen guten Wärmeleiter bestehende Hülse 8 ummantelt
die Wandung 1.2 und den Deckel 1.3. Weiterhin
ist die Hülse 8 mit dem Stator 5 bestückt.
Im Bereich der Wandung 1.2 ist um die Hülse 8 eine
Heizung 9 zur Erzeugung einer gewünschten Temperatur
im Gefäß 1 vorgesehen. Unter dem Boden 1.1 ist
eine Detektorspule 10 angeordnet.
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An
dem unteren Bereich der Hülse 8 sind die Detektorspule 10 und
die der elektronischen Ansteuerung und Regelung zugeordnete Leiterplatte 11 befestigt.
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Das
Spulensystem 4 ist auf einem Adapter 12 mittels
höhenverstellbarer Abstandbolzen 13 angeordnet.
Dadurch kann das Spulensystem 4 zum Boden 1.1 des
Reaktors R in der Höhe verändert werden. Dies
kann auch gem. eines nicht dargestellten Ausführungsbeispiels über
eine elektrische, hydraulische oder pneumatische Hubeinheit erfolgen.
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Mit
dem konstruktiven Aufbau wird ein gleichzeitiges oder selektives
Heizen und Rühren des Mediums 2 im Reaktor R ermöglicht.
Die Höhenverstellung des Spulensystems zum Reaktorboden ermöglicht,
dass der Rührkörper 3 beim Rührvorgang nicht
auf dem Boden aufliegt, sondern beim Rührvorgang über
dem Boden 1.1 in dem im Behälter 1 befindlichen
Medium 2 schwebt.
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Als
Rührkörper 3 (Rotor) sind handelsübliche Magnetrührkreuze
der chemischen bzw. pharmazeutischen Industrie einsetzbar. Ein Rührkörper 3 besteht
im einfachsten Fall aus einem Stabmagneten, der in ein Kunststoffgehäuse
eingegossen ist. Dieser Kunststoffkörper besteht aus PTFE
(Handelsbezeichnung: Teflon), da es chemisch innert ist. Der Kunststoffkörper
kann dabei verschiedene Geometrien und Größen
aufweisen (2).
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Der
Rührmotor besteht gem. 1 aus drei Hauptkomponenten:
der Ansteuerelektronik, dem Stator 5 mit den Spulen 6 und
dem Rührkörper 3 als Rotor. Der Stator 5 ist
so konzipiert, dass beim Zusammenbau die Vervollständigung
mit den Spulen 6 kein Problem darstellt.
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Gem. 3 ist
der sechs Pole 5.1 aufweisende Stator 5 aus mehreren
Lagen zusammengesetzt. Die Einzellagen bestehen aus Einzelblechen (nicht
dargestellt) und werden zu einem Blechpaket zusammengesetzt. Das
Paket besteht hier z. B. aus zwölf Einzellagen. Die Spulen 6 werden
danach von innen auf die Pole 5.1 des Stators 5 aufgesteckt
und z. B. mit temperaturfestem Silikon fixiert. Dann werden die
Pole 5.1 mit Polschuhen 5.2 versehen, deren Form
der Wand 1.2 des Behälters 1 angepasst
ist. Der Anschluss der Spulen 6 erfolgt über eine
Anschlussplatine 11.1 an der hier nicht dargestellten Leiterplatte 11,
die am Stator 5 befestigt ist (1). Der
gesamte Stator 5 wird auf das untere Ende der Hülse 8 gesteckt
und ebenfalls mit den Abstandsbolzen 13 am Adapter 12 befestigt.
Damit sind ein Verdrehen und ein ungewolltes Abrutschen des Spulensystems 4 nicht
mehr möglich.
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Bevorzugt
werden drei Spulenpaare (Polpaare) aus jeweils 6 Einzelspulen eingesetzt.
Insgesamt ist der Rührmotor somit aus sechs Spulen zusammengesetzt.
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Die
sich gegenüberliegenden Spulen sind dabei so zusammengeschaltet,
dass sie die gleichen magnetischen Ausrichtungen beim Anlegen einer Spannung
haben. Die Verwendung mehrerer Spulen mindert die Schrittweite und
ermöglicht ein präziseres Ausrichten des Rührkörpers 3 (Rotors).
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Dieser
Rührmotor ist somit ein Synchronmotor, bei dem durch die
Erhöhung der Polpaarzahl die Winkelauflösung gesteigert
wurde.
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Um
ein Magnetfeld zu erzeugen, welches den Rührkern (Rotor)
in eine Drehbewegung versetzt, werden die Einzelspulen der Spulenpaare gem. 4 so
angesteuert, dass immer nur an jeweils einem Spulenpaar eine Spannung
gleicher Polarität angelegt ist. Der bevorzugt als Permanentmagnet
ausgebildete Rührkern richtet sich mit seinen Polen so
aus, dass der größtmögliche magnetische Fluss
zustande kommen kann. Dies ist der Fall, wenn sich die Pole der
beschalteten Spulen und die komplementären Pole des Permanentmagneten/Rührkerns
gegenüber stehen.
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Nachdem
die Ausrichtung erfolgt ist, werden die soeben verwendeten Spulen
ausgeschaltet und das angrenzende Spulenpaar eingeschaltet. Es folgt wieder
eine Ausrichtung des Rotors auf das Magnetfeld. Diese Vorgehensweise
ermöglicht eine Drehbewegung in beide Richtungen.
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4 stellt
dabei das entsprechende Zeitdiagramm (a) und die jeweiligen Rotorstellungen
(b) dar.
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Die
Systemspannung der Hubeinheit beträgt bevorzugt 24 VDC.
Für die Spannungsversorgung der Spulen steht ein Step-Down-Wandler
zur Verfügung. Diesem wird über den Microcontroller
der Sollwert vorgegeben. Dieser Wert wird manuell bei der Inbetriebnahme
des Magnetrührsystems vorgegeben, kann aber jederzeit durch
den Benutzer verändert werden. Die Ausgangsspannung des
Schaltreglers dient zur Versorgung der Erregerspulen im Motor. Der
Ausgangsspannungsbereich beträgt z. B. 10 VDC bis 15 VDC.
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Das
virtuelle Massepotential für die Detektionsschaltung wird
durch einen aus Widerständen aufgebauten Spannungsteiler
generiert. Als Referenzspannung des Widerstandsnetzwerkes dient
die durch den DCIDC-Wandler bereitgestellte Spannung von hier 5
VDC.
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Durch
die Verwendung des Schrittmotors als Rührerantrieb und
den einpoligen Läufer, bei dem die Trägheit des
Kreuzes und der Flüssigkeit im Reaktor genutzt wird, müssen
die Spulen nur pulsierend angesteuert werden. Die Generierung der
Pulsfolge übernimmt ein Microcontroller.
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Zur
Ansteuerung des kompletten Spulensystems sind daher drei Schaltkreise
nötig. Die vom Abwärtsregler bereitgestellte Spannung
kann somit in gepulster Form an die Spulen übertragen werden. Durch
die Verwendung dieser Schaltkreise ist der Wärmeverlust
im Leistungsteil der Motorsteuerschaltung minimal.
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Zur
Ermittlung der Drehbewegung des Rührkreuzes wurde die Detektorspule 10 (1)
unter dem Reaktor R angebracht. Durch den Magneten im Rührkörper
wird in diese Detektorspule 10 ein sinusförmiges
Signal induziert. Die Amplitude und Frequenz dieses Signals/Messsignals
ist von der Drehzahl des Rührkörpers abhängig.
Das extrahierte sinusförmige Signal wird bevorzugt nach
dessen Filterung durch einen Präzisionsgleichrichter in
eine Gleichspannung umgewandelt. Dieses Gleichspannungssignal wird
anschließend insbesondere durch einen A/D-Wandler in ein
Digitalsignal umgewandelt, dessen Auswertung möglich ist.
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Eine
weitere mögliche Antriebsart ist auch nach dem Prinzip
der magnetischen Kopplung zwischen einem umlaufenden Magnetfeld
und einem Rührkreuz möglich. Das Rührkreuz
enthält mindestens einen Stabmagneten. Das Magnetfeld besteht dazu
bevorzugt aus drei um 120° zueinander verschobenen sinusförmigen
Einzelfeldern. Somit wird ein dreiphasiges Drehfeld erzeugt. Die
Kombination von Drehfeld und Rotormagnet ermöglicht einen
Antrieb in Form eines Synchronmotors. Der Stator des Synchronmotors
besteht im einfachsten Fall aus drei um 120° zueinander
versetzt angeordneten Spulen und dem dazugehörigen Rührkreuz/Rotor,
der aus einem Permanentmagneten besteht. Wird an die Statorwicklungen
ein Drehstrom angelegt, bildet sich im Inneren des Stators ein Drehfeld
aus. Die Drehgeschwindigkeit des Feldes hängt von der Anzahl
der Spulen und der Frequenz des Drehstromes ab.
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Bei
z. B. drei Statorspulen (p = 1) und einer Frequenz von 60 Hz hat
das Drehfeld eine Umlaufgeschwindigkeit von 3600 U-min–1.
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Da
der Rotor aus mindestens einem Magneten besteht, hat dieser auch
mindestens einen Nord- und einen Südpol. Wird der Rotormagnet
von dem im Stator generierten Magnetfeld durchflutet, so ist dieser
bestrebt, sich auf die maximale magnetische Durchflutung auszurichten.
Das auf den Läufer wirkende Drehmoment ist am größten,
wenn das Magnetfeld des Stators im rechten Winkel zu den Magnetpolen
des Rotors steht. Der Rotor folgt dem umlaufenden Feld ohne Schlupf,
d. h. er läuft synchron mit dem Erregerfeld. Die Drehzahl
dieser Motoren kann nur durch konstruktive Änderungen oder
durch Frequenzumrichter geändert werden. Synchronmotoren müssen
von anderen Motoren bis auf ihre Solldrehzahl angedreht werden,
da sie nicht selbstständig anlaufen.
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Um
die Wärmeverluste in den Spulen und den Treiberschaltkreisen
zu minimieren, werden die Spulen beim überarbeiteten Antrieb
mit pulsfrequenzmodulierten Spannungen angesteuert. Die entsprechende
Spule wird dadurch immer kurzzeitig geladen und entladen. Da die
Pulsdauer kürzer als 5T ist, wird die durch den ohmschen
Widerstand generierte Wärme minimiert und die Spule erwärmt
sich nur geringfügig. Ebenfalls ist bei der weiteren Betrachtung
wichtig, dass der Strom durch die Spule die Stärke des
magnetischen Feldes beschreibt.
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Als
pulsfrequenzmoduliertes Signal wird hier eine Pulsfolge bezeichnet,
bei der Impulse unterschiedlicher Dauer generiert werden. Dabei
wird nicht nur das Verhältnis zwischen Pausenzeit und Impulszeit
verändert, sondern auch die Periodendauer des Gesamtimpulses.
Die Amplitude bleibt dabei konstant. Dadurch ist es möglich,
die Drehzahl des Motors während des Betriebes zu verändern,
ohne dass das Rührkreuz stehen bleibt. Es sollte darauf geachtet
werden, dass die Pulsdauer bei einer Drehzahl von 350 U/min kürzer
als die Ladezeit der verwendeten Spulen ist. Damit ist gewährleistet,
dass die Spulen nicht in den Bereich der Sättigung gelangen
und so nur wenig Energie in Wärme umsetzen. Die Pulsfolge
ist bevorzugt so aufzubauen, dass sich als resultierender Strom
ein sinusförmiges Signal ergibt.
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Ebenfalls
ist bei der weiteren Betrachtung wichtig, dass der Strom durch die
Spule die Stärke des magnetischen Feldes beschreibt. Wenn
sich die Feldlinien in einem geschlossenen Weg um eine bestimmte
Anzahl in der Impulszeit verändern, ändert sich
auch die Periodendauer des Gesamtimpulses. Die Amplitude bleibt
dabei konstant. Dadurch ist es möglich, die Drehzahl des
Motors während des Betriebes zu verändern, ohne
dass der Rührkörper stehen bleibt. Dazu sollte
die Pulsdauer kürzer als die Ladezeit der verwendeten Spulen
sein. Damit ist gewährleistet, dass die Spulen nicht in
den Bereich der Sättigung gelangen und so nur wenig Energie
in Wärme umsetzen. Die Pulsfolge wird bevorzugt so aufgebaut,
dass sich als resultierender Strom einsinusförmiges Signal
ergibt.
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Das
magnetische Feld muss mit steigender Drehzahl stärker werden.
Was wiederum bedeutet, dass bei höheren Drehzahlen noch
höhere Stromflüsse erforderlich sind. Dazu können
gemäß einer weiteren Ausführungsform
mehrere Einzelspulen zu einer Doppelspule kombiniert und aus verschieden dickem
Draht gefertigt werden. Der Magnetrührer weist dazu gem. 5 bevorzugt
sechs Doppelspulen 6D auf, die aus jeweils zwei Einzelspulen 6 gebildet
werden. Jeweils zwei Einzelspulen 6 einer Doppelspule 6D sitzen
auf einem gemeinsamen Pol 5.1 des Stators 5. Die
Pole 5.1 weisen ebenfalls Polschuhe 5.2 auf, deren
Krümmung der hier nicht dargestellten Behälterwand
angepasst ist. Die zwei Einzelspulen 6 einer Doppelspule 6D weisen
Wicklungen mit unterschiedlichen Drahtdurchmessern auf. Die Doppelspulen 4D sind
in einem Winkel von 60° zueinander versetzt angeordnet.
Dadurch ist die Winkelauflösung von 120° auf 60° gesteigert.
Die Doppelspulen 6D werden gem. 1 kreisförmig
um den Behälter 1 angebracht.
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Der
Stator 5 gewährleistet, dass die Magnetfelder
im Reaktor R unterbrechungsfrei sind. Unterbrechungsfrei bedeutet
in diesem Fall, dass sich die magnetischen Pole nur in bestimmten
Grenzen nähern. Es dürfen im Inneren des Reaktors
keine Bereiche mehr existieren, an denen das Rührkreuz
stehen bleiben kann. Dafür wurde der Stator 5 mit
den Polschuhen 5.2 versehen. Die Feldlinien verlaufen durch den
Reaktorinnenraum und ermöglichen eine Kopplung zwischen
Rührmagneten und umgebendem Magnetfeld. Die Streufeldausbildung
kann dadurch vermindert werden. Da die austretenden Feldlinien immer
senkrecht zur Austrittsfläche stehen, weisen die Polschuhe
die Form der Hülsenaußenwand auf. Damit ist gewährleistet,
dass ein Maximum an Durchströmung des Reaktors möglich
ist. Die Begrenzungen der Polschuhe sind bevorzugt mit einem geringen
Radius (z. B. 1 bis 3 mm) abgerundet. Durch diesen möglichst
kleinen Radius ist die resultierende maximale Anzahl der möglichen
angenommenen austretenden Feldlinienzahl geringer als bei einer
geraden Fläche oder einer Rundung mit größerem
Radius.
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Das
Spulensystem besteht somit gem. 5 aus zwölf
Spulen, wobei sich jeweils zwei Spulen auf einem gemeinsamen Statorpol
befinden. Es ergeben sich sechs Doppelspulen für den gesamten
Motor.
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Die
Konfiguration der Spulen setzt sich bevorzugt wie folgt zusammen.
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Für
Drehraten beispielsweise unter 10000 U/min werden z. B. Spulen mit
250 Windungen und Kupferlackdraht mit 0,3 mm Durchmesser in Reihe geschaltet.
Damit ist eine genügend große Induktivität
für niedrige Drehzahlen und durch eine Umschaltung eine
geringere Induktivität für höhere Drehzahlen
verfügbar. Um einen dreiphasigen Drehstrom zu erzeugen,
müssen drei separate Impulsfolgen 15 generiert
werden. Diese Pulsfolgen sind wie bei einem durch Generatoren erzeugten
Drehfeld um 120° phasenverschoben. Werden die Einzelspulen 6 der
Doppelspulen 6D nach 6 so angeschlossen,
dass A, C und E das erste Polpaar und B, D und F das zweite Polpaar
bilden, so ist eine Funktion als Synchronmotor gewährleistet.
Bei der Generation des Drehfeldes werden die Phasen zeitlich gestaffelt
gestartet. Der hier nicht dargestellte Rührkörper
richtet sich deshalb bei jedem Start auf die erste Phase aus. Das
ist für das verwendete Detektionsprinzip von Bedeutung. Ist
das Ausrichten erfolgt, werden die zweite und nachfolgend die dritte
Phase zugeschaltet. Durch die Phasenverschiebung von 120° für
die zweite Phase und 240° für die dritte Phase
bilden sich an den zur ersten Phase angrenzenden Spulen komplementäre Pole
aus. Da sich zwei gleichnamige Magnetpole abstoßen und
sich unterschiedliche Pole anziehen, wird ein Feld gebildet, welches
das Rührkreuz fest umschließt. Es beinhaltet zwei
Stützfelder und ein Haltefeld pro Polpaar. Als Stützfelder
werden die Felder bezeichnet, die sich seitlich des Rührmagneten
befinden. Durch die gleiche Polarität dieser Felder mit den
Magnetpolen stoßen sich die Felder und der Rührkörper
voneinander ab. Da ein Stützfeld von rechts und ebenfalls
ein Stützfeld von links auf den Magneten wirken, wird der
Rührkörper von ihnen umschlossen und festgehalten.
Die Feldstärke der Stützfelder ist halb so groß wie
die Stärke des Haltefeldes. Als Haltefelder werden die
Magnetfelder beschrieben, die dem Rührermagnetpol gegenüber
stehen. Ihre Polarität ist gegensätzlich zu der
des Rührermagneten, deshalb wird der Rührmagnet
von ihnen angezogen. Die Spulen im Stator werden so angeschlossen,
dass sich die jeweils gegenüberliegenden Spulen in einer
magnetischen Reihenschaltung befinden. Somit wird es von beiden
Seiten durch jeweils zwei Stützfelder und ein Haltefeld
geführt.
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In 7 ist
eine weitere Ausführung mit den Doppelspulen 6D und
das sich ausbildende Drehfeld dargestellt. Dabei ist ersichtlich
wie der Rührkern 3 bei entsprechender Schaltung/Ansteuerung
der Doppelspulen 6D rotiert.
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Eine
Rührkreuzrückmeldung kann hier entweder durch
Phasenverschiebungen oder durch die Addition der drei Phasen deutlich
werden. Das hier verwendete Detektionsprinzip basiert erfindungsgemäß auf
der Änderung der Entladezeit einer Spule im Magnetkreis
bei veränderlichem magnetischem Widerstand.
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Durch
das selektive Einschalten der drei Einzelphasen wird erreicht, dass
das Rührkreuz im Normalbetrieb immer zeitgleich zur Amplitude
der ersten Phase läuft. Das bedeutet, dass der Rührmagnet
immer zum Zeitpunkt des Strommaximums der ersten Phase auf die Pole
der Spulen der ersten Phase zeigt. Damit ist der Luftspalt zwischen
dem Rührmagneten und dem Spulensystem, bezogen auf die Spulen
der ersten Phase, am geringsten. Aus diesem Grund geschieht die
Detektion zu diesem Zeitpunkt. Kurz vor dem Erreichen des Maximalstromes
wird die Treiberstufe der ersten Phase hochohmig geschaltet. Die
Zeitdauer der Abschaltung der Treiberstufe hängt vom verwendeten
Spulensystem ab. Die Spulen entladen sich je nach Spulensystem,
in einer bestimmten Zeit. Läuft das Rührkreuz
nicht mehr synchron zur ersten Phase, so ist der Luftspalt im Moment
des Messens nicht mehr minimal, und es ändert sich die Entladezeit
der Spulen. Damit ist nicht nur eine Detektion möglich,
bei der nur unterschieden werden kann, ob sich das Rührkreuz
dreht oder nicht, sondern es kann detektiert werden, wie groß der
Nachlauf bzw. das Voreilen des Rührkreuzes gegenüber dem
Feld ist. Die für die Detektion wichtigen Impulse sind
der Startimpuls, der beim Abschalten der Leistungsstufe entsteht
und der Stopimpuls, der nach dem Entladevorgang auftritt. Mit dem
somit gewonnenen Detektionssignal ist nicht nur eine Detektion der
Rotation des Rührkreuzes möglich, sondern sogar
eine Bestimmung des Nachlaufens.
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Zur
Generierung des Impulssignales für die Felderzeugung wird
z. B. ein Microcontroller eingesetzt der folgende Funktionen übernimmt:
- – Messen der Zeit zwischen „Messbeginn"
und „Messstop"
- – Auswertung des Detektionsmesswertes
- – Anpassung des Verstärkerwertes für
die Detektionssignalgewinnung an die aktuelle Drehzahl und die verwendeten
Antriebsspulen
- – Überwachung der Funktion des impulsgenerierenden
Controllers
- – Erzeugung des Taktsignales für den Modulationscontroller
- – Kommunikation zwischen Systemrechner und der Rührerbaugruppe
- – Ansteuerung des Spannungswandlers zur Versorgung
des benötigten Spulensystems
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Erfolgreich
getestete Rührkerne/Rotorformen sind:
- – Rührstab
mit einem Permanentmagneten
- – Rührstern mit drei Permanentmagneten, 120° zueinander
- – Rührkreuz mit einem stabförmigen
Permanentmagneten
- – Rührkreuz mit zwei stabförmigen
Permanentmagneten, 90° zueinander
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Die
besten Ergebnisse wurden mit den Rührkreuzen erzielt. Als
Steuereinheit wurden zwei Microcontroller verwendet, wobei einer
der beiden Microcontroller allein für die Erzeugung des
Drehfeldes eingesetzt wird. Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad
zu erzielen, werden die Spulen mit pulsfrequenzmodulierten Signalen
angesteuert. Das ermöglicht eine präzise Erzeugung
des Drehfeldes mit einem breiten Frequenzbereich, um verschiedene Drehzahlen
des Rührkreuzes zu ermöglichen. Ebenfalls hat
es die Eigenschaft, dass der Reaktor nicht von den Spulen aufgeheizt
wird und somit auch Reaktionen bei Raumtemperatur möglich
sind, da sich die Spulen nicht stark erwärmen.
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Um
den hohen Wirkungsgrad über den gesamten Drehzahlbereich
zu ermöglichen, wurde ein Spulensystem mit sechs Polen,
die durch zwölf Spulen generiert werden entworfen.
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Die
Detektion der Drehbewegung des Rührkreuzes erfolgt mit
der Detektorspule über die Änderung des magnetischen
Widerstandes, der durch die Rotation des Rührkerns hervorgerufen
wird. Mit dem somit gewonnenen Detektionssignal ist nicht nur eine Detektion
der Rotation des Rührkerns möglich, sondern sogar
eine Bestimmung des Nachlaufens.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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