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Die Neuerung betrifft eine Strömungsmaschine
mit Magnetkupplungsantrieb, wobei ein elektrischer Antriebsmotor über eine
Magnetkupplung ein Drehmoment auf eine Welle der Strömungsmaschine,
insbesondere eine Kreiselpumpe, überträgt und die
Kupplung mit axialen Rotoren in Form eines einen Innenrotor umgebenden
Außenrotor
versehen ist.
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Eine gattungsgemäße Strömungsmaschine ist beispielsweise
durch die
DE 101 16
868 A1 bekannt. Solche Magnetkupplungsteile sind mit Permanentmagneten
ausgestattet und stellen eine Synchronkupplung dar, bei der die
Rotoren der beiden Kupplungsteile mit identischer Drehzahl umlaufen. Ein
Haltemoment einer solchen Kupplung ist abhängig vom Kippmoment eines am
sogenannten starren Netz betriebenen, antreibenden Asynchronmotors, um
bei einem Einschalt- und Hochlaufvorgang eines Motors einen synchronen
Betrieb der Magnetkupplung gewährleisten
zu können.
Damit ist eine solche Kupplung, bezogen auf einen stationären Pumpenbetrieb,
erheblich überdimensioniert.
Weiter haben diese Magnetkupplungen den Nachteil, bei eventuellen
Laststößen auszukuppeln.
Bei einem Abriss der Magnetwirkung treten in den Kupplungsbauteilen hohe
Wirbelströme
auf, die zu deren thermischen Zerstörung führen können. Und für ein erneutes Einkuppeln ist
der Antriebsmotor herunterzufahren, um ein Einkuppeln der Kupplungsbauteile
zu ermöglichen.
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Durch die
DE 197 01 993 A1 ist es
für Kühlmittelpumpen
von Kraftfahrzeugen bekannt, über
einen Riementrieb und eine Hysteresekupplung ein Flügelrad anzutreiben.
Dazu finden zwei Kupplungsscheiben Verwendung, wobei die eine Kupplungsscheibe
als Magnetscheibe ausgebildet ist und die andere Kupplungsscheibe
als Kupferscheibe ausgebildet sowie mit Hysteresematerial versehen
ist. Diese Lösung
hat zwar gegenüber
den üblichen
Magnetkupplungen den Vorteil, dass die Übertragungsfähigkeit
bei Überschreiten
eines maximalen Drehmomentes nicht abreißt und deshalb ein Stillsetzen
des Antriebes zum Einkuppeln nicht mehr erforderlich ist. Deren
Nachteil ist jedoch der hohe Kostenaufwand zur Befestigung der teuren
Permanentmagnete hoher Leistungsdichte am Rotor, die aufwendige
Rotorlagerung und das Risiko des Anstreifens des Rotors an einem
Spalttopf aufgrund der am Flügelrad
mit einem großen
Hebelarm angreifenden Kräften.
Und da ein Kraftfahrzeugmotor mit ständig wechselnden Drehzahlen
betrieben wird, ist eine solche Pumpe überdimensioniert und nicht
auf einen sparsamen Betriebspunkt ausgelegt.
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Die Auslegung einer Pumpenanlage,
bei der ein Antrieb mit starren Drehzahlen erfolgt, geschieht in
allgemeinen auf der Basis einer maximal zu erwartenden Fördermenge
bei gleichzeitig ungünstigsten Anlagenverhältnissen.
Durch einen solchen in der Anlagentechnik häufigen Projektierungsansatz
ergibt sich im allgemeinen eine Überdimensionierung
einer solchen Strömungsmaschine
und damit auch des zugehörigen
Antriebes.
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Der Neuerung liegt daher das Problem
zu Grunde, für
Strömungsmaschinen
eine wenig aufwendige Möglichkeit
zu finden, die bei der Auslegung eine Überdimensionierung der Komponenten
vermeiden hilft und eine einfache, sichere sowie kostengünstige Drehmomentübertragung
zwischen Antriebsmotor und Strömungsmaschine
gewährleistet.
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Die Lösung dieses Problem sieht die
Anordnung einer Hysteresekupplung zwischen einem Antriebsmotor in
Form eines Drehstrom-Asynchronmotor und der Strömungsmaschine vor. Durch die
Verwendung einer Hysteresekupplung ergibt sich eine wesentli che
Reduzierung der Kupplungsdimensionen, da eine solche Hysteresekupplung
nicht mehr auf das Kippmoment eines Asynchronmotors ausgelegt sein
muss. Stattdessen wird sie nur noch auf das Betriebsmoment der anzutreibenden
Strömungsmaschine,
nach einer Ausgestaltung vorzugsweise eine Kreiselpumpe, ausgelegt.
Infolge des in einem Kupplungsteil verwendeten Hysteresematerials
wird das wesentlich teurere Permanentmagnetmaterial eingespart.
Und da das Hysteresematerial laufend ummagnetisiert werden kann,
ist eine solche Kupplung wesentlich betriebssicher.
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Bei einem Anfahr- oder Hochlaufvorgang läuft die
Hysteresekupplung problemlos im Asynchronbetrieb, um sich dann selbstständig auf
den Synchronbetrieb einzustellen. Und sollte es während es
Betriebes zu plötzlichen
Lastspitzen kommen, dann reisst dadurch die Kupplungswirkung der
Hysteresekupplung nicht ab. Sie geht stattdessen in einen temporären, asynchronen
Betriebszustand über. Somit übt sie gleichzeitig
eine stoßdämpfende
Wirkung im Antriebsstrang aus. Die während eines solchen schlupfbehafteten
Betriebszustand auftretenden Wirbelströme sind vernachlässigbar
und gefährden
nicht mehr die ganze Kupplung. Ursächlich dafür ist die Fähigkeit zum Ummagnetisieren
des Hysteresematerials.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich
durch die Ausgestaltung als verstellbare Hysteresekupplung. Zur Anpassung
einer nach den üblichen
Kriterien ausgelegten Kreiselpumpe an die jeweiligen Betriebsverhältnisse
wird einfach die Einstellung der Hysteresekupplung verändert. Deren
Rotoren werden dabei gegeneinander axial so verstellt, dass ihre
axiale Überdeckung
die Übertragung
des notwendigen Drehmomentes gewährleistet.
Dies kann bei einer Montage im Werk oder am Aufstellort erfolgen.
Anhand vorgegebener Einstelldaten erfolgt eine solche Einstellung
im Stillstand. Bei eventuell später
notwendigen Änderungen
muss eine gewählte
Einstellung der Rotoren nur geändert
werden, um die Fördermenge
der Kreiselpumpe an die jeweilige Betriebssituation anzupassen.
Dies kann von außen
in einfachster Weise erfolgen. Das dadurch veränderte Kupplungsmoment sorgt
zusammen mit einer quadratischen Pumpenkennlinie für eine Absenkung oder
Anhebung der Pumpendrehzahl, wobei die Differenzleistung zwischen Motorabgabeleistung
und Pumpenaufnahmeleistung in der Hysteresekupplung in Wärme umgesetzt
wird. Da hier aber nur ein kleiner Drehzahlstellbereich benötigt wird,
sind diese systembedingten Verluste akzeptierbar. Der Gesamtwirkungsgrad
lässt sich
zusätzlich
verbessern, wenn als Antriebsmotor ein Drehstrom-Asynchronmotor mit
verbessertem Wirkungsgrad verwendet wird.
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Nach einer Ausgestaltung der Neuerung
ist mindestens einer der ineinander angeordneten Rotoren der Hysteresekupplung
als axial verstellbarer Rotor ausgebildet ist. Innerhalb der Hysteresekupplung sind
die ineinander angeordneten Rotoren, auch als Außenrotor und Innenrotor bezeichnet,
als axial zueinander verstellbare Bauteile ausgebildet. Die Hysteresekupplung
wird während
des Betriebes vom Motor mit praktisch konstanter Drehzahl angetrieben, wobei
die Rotoren der Hysteresekupplung, die nach Art ineinander geschobener
Zylinder gestaltet sind, das notwendige Drehmoment mit Hilfe von
Permanentmagneten und Hysteresematerial auf die Welle der Kreiselpumpe
oder Strömungsmaschine übertragen.
Durch einfache Zuordnung der axialen Lage der Rotoren zueinander
wird die Größe des zu übertragenden
Drehmomentes in einfachster Weise bestimmt. In Abhängigkeit
von der axialen Rotorüberdeckung
wird das jeweils notwendige Drehmoment, damit die an der Pumpe sich
einstellende Drehzahl und damit der jeweilige Pumpenbetriebspunkt
in einfachster und genauer Weise eingestellt. Diese Maßnahme gewährleistet
einen kostensparenden Pumpenbetrieb im jeweils gewünschten
Anlagebetriebspunkt. Ein sich durch die Verstellung innerhalb der Hysteresekupplung
eventuell einstellender Schlupf ist vernachlässigbar im Vergleich zu den
Einsparungen an Betriebskosten aufgrund eines Betriebes im genauen
Anlagebetriebspunkt.
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Andere Ausgestaltungen der Neuerungen sehen
vor, dass eine Regeleinrichtung während eines Betriebes die Betriebsposition
zwischen Außenrotor
und Innenrotor verändert
und dass der Antriebsmotor und ein damit in Wirkverbindung stehender
Rotor der Hysteresekupplung axial verschiebbar angeordnet sind.
Diese Maßnahmen
ermöglichen
die axiale Veränderung
des Überdeckungsgrades
der Kupplungsteile der Hysteresekupplung auch während eines laufenden Betriebes.
Dies können
eine axiale Verschiebbarkeit einer oder beider Kupplungsteile auf
der jeweiligen Welle sein. Dazu sind an sich bekannte Mittel zur
Verschiebung der Kupplungs-Rotorteile auf der Welle von außen und
während
des Betriebes vorgesehen. Somit kann diese Anordnung innerhalb der
technischen Grenzen auch zur Regelung benutzt werden.
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Dazu sieht eine weitere Ausgestaltung
vor, dass eine Regeleinrichtung während des laufenden Betriebes
den Antriebsmotor sowie einen damit in Wirkverbindung stehenden
Rotor der Hysteresekupplung relativ zum Aufstellort in Axialrichtung
verstellt. Dazu kann in besonders einfacher Weise eine axiale Verschiebbarkeit
des gesamten laufenden Antriebsmotors gegenüber der Strömungsmaschine vorgesehen werden
oder der gesamte Elektromotor wird gegenüber der Strömungsmaschine während des
Betriebes verschiebbar angeordnet.
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Hierzu sieht eine andere Ausgestaltung
vor, dass der Antriebsmotor über
ein Regel- oder
Verstellgewinde mit der Strömungsmaschine
und/oder dem Magnetkupplungsantrieb verbunden ist und dass eine
Drehbewegung im Regel- oder Verstellgewinde die Lage eines Rotors
der Hysteresekupplung verändert.
Der Motor ist über
das eine geeigneter Steigung aufweisende Regel- oder Verstellgewinde
mit dem Gehäuse
der Kupplung oder der Strömungsmaschine
verbunden. Durch einen Aktuator, beispielsweise einen Verstellmotor,
der seine Regelimpulse von einem Regler erhält, werden die durch das Regel-
oder Verstellgewinde miteinander verbundenen Bauteile in eine solche
Stellung zueinander gebracht, dass eine dadurch bedingte Axialverschiebung
die für
den gewünschten
Regelungszustand erforderliche Überdeckung
zwischen den Rotoren der Hysteresekupplung herbeiführt.
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Zusätzlich ergibt sich der Vorteil
der leichteren Auswahl einer Pumpe aus einer Pumpenbaureihe. In
einem Pumpenkatalog sind die verschiedenen Pumpengrößen mit
ihren jeweiligen Pumpenkennlinien zu einem Kennfeld zusammengefasst.
In einzelnen Fällen,
bei denen für
einen zu bedienenden Anwendungsfall eine Pumpe gerade in einem Grenzbereich
zwischen zwei Pumpenkennlinien zuliegen kommt, erfolgt mit Hilfe
der Hysteresekupplung in einfachster Weise eine Anpassung an die
notwendige Leistungsübertragung.
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Und ein weiterer Vorteil der Verwendung
der Hysteresekupplung besteht in der Dimensionierung auf das Nenndrehmoment
einer Pumpe. Denn bei einem asynchronen Hochlaufen des Drehstrommotors arbeitet
die Hysteresekupplung ebenfalls asynchron. Sie muss daher nicht
wie übliche
Magnetkupplungen auf das größere Kippdrehmoment
des Drehstrommotors ausgelegt werden. Dadurch ergibt sich eine kostensparende
Verkleinerung der gesamten Kupplung bei gleichzeitig verbesserter Übertragungsqualität.
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Weiter stellt die Hysteresekupplung
einen Überlastschutz
dar, so dass eine dadurch angetriebene Kreiselpumpe oder Strömungsmaschine
von der Motorseite her nicht überlastet
werden kann. Sie stellt damit gegenüber herkömmlichen Magnetkupplungen eine
deutlich verbesserte Antriebslösung
dar, da gleiche Leistungen bei kleinerer Baugröße zuverlässiger übertragen werden. Und das mit
dem zusätzlichen
Vorteil einer Einstellbarkeit hinsichtlich der zu übertragenden
Leistungen. Trotzdem bleiben bei der verstellbare Hysteresekupplung
alle Vorteile einer Magnetkupplung erhalten. Dies ist die berührungslose
Verbindung zwischen Pumpe und Motor, ein einfacher Motortausch und
die Integration eines Spalttopfes, womit ein Fördermedium zuverlässig von
der Atmosphäre
getrennt wird. Weiterhin die Einstellung einer gewünschten
Pumpendrehzahl und damit der exakten Fördermenge.
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Ein Ausführungsbeispiel der Neuerung
ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen die
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1 eine
Verstellmöglichkeit
eines Rotors und die
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2 eine
Regelmöglichkeit
mittels Regelgewinde
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Die 1 zeigt
eine Strömungsmaschine 1 in
Form eines Kreiselpumpenaggregates. Die Kreiselpumpe wird unter
Zwischenschaltung einer Hysteresekupplung 2 von einem elektrischen
Antriebsmotor 3 angetrieben. Die Hysteresekupplung 2 ist
innerhalb eines Kupplungsgehäuses 4 angeordnet,
welches an einem Gehäusedeckel 5 dichtend
befestigt ist. Das Kupplungsgehäuse 4 ist
so ausgebildet, dass es gleichzeitig einen Spalttopf 6 am
Gehäusedeckel 5 dichtend
anpresst. Im Gehäusedeckel 5 ist
eine Lagerung 7 für
eine Welle 8 angeordnet. Auf der einen Seite der Welle 8 ist
innerhalb der Kreiselpumpe 1 ein Laufrad 1.1 befestigt
und auf der anderen Seite der Welle 8 ist ein Rotor 9 der
Hysteresekupplung 2 angeordnet.
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Die hier gezeigte Kreiselpumpe ist
für die Förderung
chemischer Flüssigkeiten
ausgebildet, weshalb alle flüssigkeitsberührten Oberflächen der Kreiselpumpe 1,
des Laufrades 1.1, des Gehäusedeckels 5 und des
Spalttopfes 6 mit einem entsprechenden Schutzüberzug 14 versehen
sind.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein äußerer Rotor 10 der
Hysteresekupplung axial verschiebbar auf einem Wellenstumpf 11 des
Antriebsmotors 3 befestigt. Die Axialverschiebung erfolgt
in diesem Beispiel durch ein Verstellmittel 12, mit dessen
Hilfe in axialer Richtung eine einstellbare Positionierung zwischen
Außenrotor 10 und
einem Innenrotor 9 bewirkt wird. Selbstverständlich sind
auch noch andere Verstellmöglichkeiten
gebräuchlich,
die eine Einstellung ohne Demontage der Hysteresekupplung 2 erlauben.
Dazu können
im Kupplungsgehäuse 4 oder
im Flanschgehäuse 13,
welches Antriebsmotor 3 und Kupplungsgehäuse 4 verbindet, entsprechende
Zugangsöffnungen
angeordnet sein, um eine leichte Einstellmöglichkeit für den Außenrotor 10 zu erhalten.
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Bei einer Ausführungsform ohne Spaltrohr kann
in analoger Weise auch eine Verstellung am Innenrotor 9 erfolgen.
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Die Hysteresekupplung 2 ist
derart ausgeführt,
dass auf der Außenseite
des inneren Kupplungsteiles, dem Innenrotor 9, Seltenerdmagnete 15 angeordnet
sind. Diese bauen ein magnetisches Luftspaltfeld zwischen Innen-
und Außenrotor 9, 10 auf,
wobei auf der Innenseite des äußeren Kupplungsteiles,
dem Außenrotor 10,
ein Magnetwerkstoff 16 mit ausgeprägter Hystereseeigenschaft angeordnet
ist. Damit die Temperaturabhängigkeit
der Hysteresekupplung gering ist, sind vorzugsweise die Werkstoffe
Sm2Co17 oder AlNiCo zu verwenden.
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Eine solche Hysteresekupplung 2 ist
lediglich auf das jeweilige Nenndrehmoment der Kreiselpumpe 1 dimensioniert,
da die Hysteresekupplung 2 beim Asynchron-Hochlauf des
als Drehstrommotors ausgebildeten Motors 2 ebenfalls asynchron
arbeitet. Es ist daher nicht erforderlich, wie bei den bisher üblichen
Magnetkupplungen, die Hysteresekupplung auf das wesentlich höhere Kippdrehmoment
eines Asynchron-Drehstrommotors auszulegen. Zusätzlich hat die Hysteresekupplung 2 den
Vorteil eines Überlastschutzes,
da die Kreiselpumpe 1 von der Motorseite her nicht überlastet
werden kann. Mit Hilfe des axialen Verstellmittel 12 der
Hysteresekupplung 2 erfolgt die Einstellung der Überdeckung
zwischen Innenrotor 9 und Außenrotor 10. Mit dem
gezeigten Stellbereich entlang der Verbindung zwischen Außenrotor 10 und
Motorwelle 11 erfolgt eine einfache Anpassung an die jeweiligen
Betriebsverhältnisse.
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2 zeigt
eine andere Art der Verstellung, wobei zwischen Hysteresekupplung 2 und
Antriebsmotor 3 ein Verstell- oder Regelgewinde 17 angeordnet
ist. In der 2 ist das
einteilige Flanschgehäuse 13 nach 1 als eine mehrteilige Bauform
ausgebildet. dabei sind dessen Flanschgehäuseteile 13.1 und 13.2 durch
das Verstell- oder Regelgewinde 17 kraft- und formschlüssig miteinander
verbunden. Am Antriebsmotor 3 ist zusätzlich ein Verstellmotor 18 angeordnet,
den eine Regeleinrichtung 19 ansteuert. Mit Hilfe der Regeleinrichtung 19 wird
das Flanschgehäuseteil 13.2 relativ
zum Antriebs motor 3, an dem es radial drehbar und axial
fest angeordnet ist, verdreht. Infolge einer solchen Drehbewegung
verändert
das Flanschgehäuseteil 13.2 auf
dem Regelgewinde 17 seine Position und es erfolgt eine
Axialverschiebung. Dadurch wird der Antriebsmotor 3 relativ zu
einem – hier
nicht dargestellten – Aufstellort
in Richtung der Motordrehachse verschoben. Dabei zieht oder schiebt
die Motorwelle 11, in Abhängigkeit von der Drehrichtung,
den Rotor 10 ebenfalls in eine andere Position, wodurch
in axialer Richtung der Überdeckungsgrad
der Hysteresekupplung 2 verändert wird. Ein davon zu übertragendes
Moment wird somit in einer gewünschten
Weise verändert
oder geregelt. Der Antriebsmotor 3 ist für eine axiale
Verschiebebewegung in einer entsprechenden Weise an seinem Aufstellort
befestigt.
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Anstelle des Verstellmotor 18 können auch andere
bekannte Verstellmittel Anwendung finden, mit deren Hilfe von außen eine
regelnde Verstellbewegung auf den Rotor 10 ausgeübt wird.
Dazu können
entsprechend gleichwirkende Ausbildungen am Flanschgehäuse 13, 13.1 und 13.2 oder
am Kupplungsgehäuse 4 Verwendung
finden. Wesentlich ist die Veränderung
der relativen axialen Lage von Motor 3 und dem damit verbundenen
Rotorteil 10 zur Strömungsmaschine 1 beziehungsweise
zur Hysteresekupplung 2. Infolgedessen verändert sich
in der Hysteresekupplung 2 der Überdeckungsgrad der Rotoren 9, 10.