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Sachgebiet des Gebrauchsmusters
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Das Gebrauchsmuster bezieht sich auf den Bereich der Flüssigkeitspumpen, insbesondere auf Geräte zur Übertragung mechanischer Energie auf Flüssigkeiten (z.B. Gase oder Flüssigkeiten), die als Axialpumpen oder Kompressoren eingesetzt werden können.
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Stand der Technik
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Derzeit verwendete Vorrichtungen zur Übertragung mechanischer Energie auf Fluide (wie Pumpen, Kompressoren usw.) umfassen eine Motoranordnung, die von einem rotierenden Element (einem Rad oder einer Turbine) getrennt ist und einen Rotor und einen Stator mit einem Magnetsystem beinhaltet. Die von der Motorbaugruppe erzeugte mechanische Energie wird über eine gemeinsame Welle oder ein Wellensystem auf das Rotationselement der Vorrichtung übertragen. Diese Struktur hat mehrere Nachteile: große Außenabmessungen (zumindest Pumpenabmessungen und Motorabmessungen) und zeichnet sich durch die Verwendung von Komponenten wie Wellen, Stützlager, Wellendichtung, eine Kupplung und andere Bauteile sowie hohe Anforderungen sowohl an die Materialien als auch an die Fertigungsgenauigkeit aus. Dies führt zu einem deutlich höheren Preis der Endaggregate und stellt hohe Anforderungen an die Instrumentierung von Produktionsanlagen.
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Es gibt bekannte Vorrichtungen zum Pumpen von Flüssigkeiten, bei denen ein rotierendes Rad mit darauf montierten Permanentmagneten als Rotor wirkt (siehe z.B. die
US-Anmeldung Nr. 2013039785 vom 14.02.2003, das
DE-Patent Nr. 2354046 vom 07.05.1975, das
US-Patent Nr. 6030188 vom 29.02.2000, das
US-Patent 6896492 vom 24.05.2005). Das Gemeinsame an diesen bekannten Geräten ist ihre komplexe Struktur und der relativ geringe Wirkungsgrad.
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Das zu der Vorrichtung nach dem vorliegenden Gebrauchsmuster am nächsten liegende ist eine Vorrichtung zur Druckbeaufschlagung von gasförmigen Fluiden, die im
US-Patent Nr. 4618806 vom 21.10.1986 offenbart ist. Die Vorrichtung umfasst einen Stator und ein rotierendes Rad, das als Rotor dient. Das rotierende Rad beinhaltet einen Außenring, im Ring gelagerte Schaufeln und eine mit einer Achse verbundene zentrale Nabe. Dabei sind Permanentmagnete im Außenring montiert und der als Spule ausgeführte Stator, der an eine Stromversorgung angeschlossen ist, ist mit einer elektromagnetischen Struktur zum Antreiben des rotierenden Rades ausgestattet.
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Der Nachteil des nächstliegenden Analogs zu dem vorliegenden Gebrauchsmusters ist sein schlechter Wirkungsgrad, der durch das schwache Zusammenspiel der Statorspule und der Rotor-Permanentmagnete verursacht wird.
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Offenbarung des Gebrauchsmusters
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Ziel des vorliegenden Gebrauchsmusters ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen.
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Der technische Effekt des Gebrauchsmusters besteht darin, die Effizienz der Drehmomentübertragung auf ein rotierendes Rad zu verbessern.
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Der technische Effekt wird dadurch erreicht, dass eine Vorrichtung zur Übertragung mechanischer Energie auf ein durch sie strömendes Fluid einen Stator und ein im Stator montiertes rotierendes Rotorrad umfasst, das einen Außenring und im Ring gelagerte Schaufeln beinhaltet, wobei Permanentmagnete im Außenring montiert sind und der Stator mit einer elektromagnetischen Struktur zum Antreiben des rotierenden Rades ausgestattet ist, die radial um das rotierende Rad herum Elektromagnete beinhaltet mit der Möglichkeit zum Ändern der Polarisation.
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Darüber hinaus umfasst das Gebrauchsmuster einige spezifische Ausführungsformen, wobei:
- - Elektromagnete sind auf einer Außenfläche des Stators montiert und mit Magnetkernen versehen, die sich bis zu einer Statorwand und senkrecht zu dessen Achse erstrecken,
- - das rotierende Rad ist starr mit einer Achse verbunden, die in Lagern gelagert ist, die auf Stützen montiert sind,
- - das rotierende Rad ist auf einer Achse montiert, die starr mit Stützen verbunden ist, wobei Lager in dem rotierenden Rad angeordnet sind,
- - die Achsen der Stator-Elektromagnete sind winklig zur rotierenden Radachse ausgerichtet,
- - die Elektromagnete sind mit einer Steuerung verbindbar, um deren Umschaltung zwischen drei Zuständen zu ermöglichen: normale Polarität, umgekehrte Polarität, abgeschaltet,
- - die Elektromagnete sind in Gruppen angeordnet, wobei jede Gruppe einem Zyklus des Gerätebetriebs entspricht,
- - die Vorrichtung umfasst ein Luftkühlsystem zum Runterkühlen der Elektromagneten des Stators, das basierend auf dem Magnetfeld der Elektromagnete arbeitet,
- - Strömungsführer sind an einem Geräteeinlass installiert,
- - Strömungsgleichrichter sind an einem Geräteausgang installiert,
- - die Vorrichtung ist eine Axialpumpe,
- - die Vorrichtung ist ein Axialverdichter.
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Im Gegensatz zum nächsten Analog, ist eine Gruppe von Elektromagneten, die die Polarisation ändern können, auf dem Stator der beanspruchten Vorrichtung montiert, die zusammen mit der durch den äußeren Ring und die inneren Schaufeln definierten Konfiguration des rotierenden Rades eine sehr effektive Interaktion zwischen Elektromagneten und Permanentmagneten ermöglicht, während sie das Drehmoment auf das rotierende Rad überträgt.
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Figurenliste
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Das Gebrauchsmuster wird durch die Zeichnungen veranschaulicht, bei denen:
- 1 eine Draufsicht auf eine mögliche Ausführungsform der Vorrichtung zeigt;
- 2 eine Seitenansicht einer möglichen Ausführungsform der Vorrichtung zeigt;
- 3 eine Seitenansicht einer möglichen Ausführungsform der Vorrichtung zeigt;
- 4 ein Diagramm einer möglichen Ausführungsform der Verkabelung einer Steuerung mit der Vorrichtung zeigt;
- 5 eine Fluidströmungskonfiguration mit und ohne Strömungsführungen und Richtwerkzeugen zeigt.
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Ausführungsformen des Gebrauchsmusters
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Eine Vorrichtung nach dem vorliegenden Gebrauchsmuster umfasst einen Stator (1) und ein rotierendes Rad (2), das ein Rotor ist und innerhalb des Stators (1) angeordnet ist. Vorzugsweise ist der Stator (1) ein Hohlzylinder, wobei das Verhältnis von Zylinderdurchmesser zu Höhe je nach Geräteleistung und Einsatzbereich variieren kann. Elektromagnete (3), die eine elektromagnetische Struktur zum Antreiben des rotierenden Rades (2) definieren, sind radial an einer äußeren Seitenfläche des Stators (1) montiert. Die Elektromagnete (3) umfassen Magnetkerne (4) (Kerne), die sich bis zu einer Statorwand und senkrecht zu ihrer Achse erstrecken. Die Magnetkerne (4) können jede beliebige Form haben: zylindrisch, rechteckig oder eine andere Form.
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Das rotierende Rad beinhaltet einen Außenring (5) und eine zentrale Nabe (6), verbunden mit einer Achse (7) und Schaufeln (8) verbunden mit dem Ring (5) und die Nabe (6) montiert innerhalb des Ring. Die Anzahl und Form der Schaufeln (8) hängt von der Art des Fördermediums und den erforderlichen Geräteparametern ab.
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Gemäß einer Ausführungsform der Vorrichtung ist die Achse (7) des rotierenden Rades (2) starr mit der Nabe (5) des rotierenden Rades verbunden, das über Lager auf Stützen gelagert ist (nicht in den Zeichnungen dargestellt). Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Achse (7) starr in den Stützen befestigt werden, wenn ein Lager in der Nabe (5) des rotierenden Rades (2) platziert ist. Je nach Anwendung kann das Gerät unterschiedliche Lagertypen verwenden.
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Permanentmagnete (9), die mit den Elektromagneten (3) des Stators (1) zusammenwirken, sind innerhalb des Außenrings (5) des rotierenden Rades (2) montiert. Die Leistung der Vorrichtung wird durch die Anzahl der Permanentmagnete (9) definiert. So kann beispielsweise das rotierende Rad (2) gemäß einem speziellen Fall, der in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist, sechs Permanentmagnete (9) umfassen, die so angeordnet sind, dass benachbarte Magnete und die Achse (6) einen Winkel von 60° dazwischen bilden. Gleichzeitig weist der Stator (1) dreißig Elektromagnete (3) auf, die fünf Gruppen mit sechs Elektromagneten in jeder Gruppe definieren. Jede Gruppe entspricht einem Zyklus des Gerätebetriebs. Für hohe Leistungen kann die Anzahl der Elektromagnetgruppen reduziert und die Anzahl der Elektromagnete (3) in jeder Gruppe und die Anzahl der Permanentmagnete (9) des rotierenden Rades - des Rotors (2) - erhöht werden.
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Mechanische Energie wird übertragen, wenn jeder Permanentmagnet (9) mit den jeweils benachbarten Elektromagneten (3) zusammenwirkt. Die Elektromagnete (3), die in Richtung der Bewegung stromaufwärts der Achse der Pole des Permanentmagneten (9) angeordnet sind, ziehen den Permanentmagneten (9) an, und die Elektromagnete (3), die stromabwärts der Achse angeordnet sind, stoßen den Permanentmagneten (9) ab. Gemäß einer bestimmten Ausführungsform der Vorrichtung interagiert jeder Permanentmagnet mit zwei Elektromagneten: Er wird zum einen angezogen und vom anderen abgestoßen. Es ist zu beachten, dass die Kraft der attraktiven und abstoßenden Interaktion unterschiedlich sein kann.
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Die Polarisation des Elektromagneten (3) ändert sich in dem Moment, in dem die Achse der Permanentmagnetpole (9) die Elektromagnetachse kreuzt. Um den Wirkungsgrad des Geräts zu verbessern, können die Elektromagnete, die im Moment nicht mit dem Permanentmagneten interagieren, abgeschaltet werden.
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Der Zustand der Elektromagnete (3) des Stators wird mit einer Steuerung (4) gesteuert, die Bestandteil der beanspruchten Vorrichtung oder eine separate Baugruppe sein kann. Die Steuerung aktiviert einen Ansteueroszillator (10) und Brückenleistungsmodule (11), die jeweils mit einer separaten Gruppe von Elektromagneten (3) verbunden sind. Basierend auf den spezifischen Geräteparametern kann der Ansteueroszillator Impulse für Gruppen von Elektromagneten in einer Menge von drei bis zu einer relativ unendlichen Anzahl von Elektromagneten erzeugen. So erzeugt beispielsweise der Ansteueroszillator (10) gemäß einem bestimmten Fall aufeinanderfolgende Impulse für fünf Gruppen (Phasen oder Busse). Ein Signal geht nur über eine Phase auf einmal, und dieses Signal entsteht nacheinander auf jeder Phase. Basierend auf einem Signal des Ansteueroszillators erzeugen die Brückenleistungsmodule (11) den Süd- und den Nordmagnetpol an den Stirnseiten des Elektromagneten. Durch ein Sekundärsignal (basierend auf dem Hauptsignal, aber mit einem Abstand von zwei Zyklen) wird es möglich, Elektromagnete vollständig auszuschalten, um die Energieeffizienz des Gerätes zu verbessern.
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Tabelle 1 zeigt eine exemplarische Konfiguration zur Änderung der Zustände von Elektromagneten (
3) für normale und energieeffiziente Betriebsarten, wobei „NP“ für eine normale Polarität, „RP“ für eine umgekehrte Polarität und „Off“ für einen ausgeschalteten Zustand steht.
Tabelle 1. Konfiguration der Änderung der Zustände von Elektromagneten der Vorrichtung
| Zyklen | Elektromagnetische Gruppen |
| Normaler Gebrauch | Energieeinsparung |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 1 Zyklus | NP | RP | RP | RP | RP | NP | RP | Off | Off | Off |
| 2 Zyklen | RP | NP | RP | RP | RP | Off | NP | RP | Off | Off |
| 3 Zyklen | RP | RP | NP | RP | RP | Off | Off | NP | RP | Off |
| 4 Zyklen | RP | RP | RP | NP | RP | Off | Off | Off | NP | RP |
| 5 Zyklen | RP | RP | RP | RP | NP | RP | Off | Off | Off | NP |
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Im normalen Polaritätsmodus zieht ein Elektromagnet einen Permanentmagneten an, und im umgekehrten Polaritätsmodus wird ein Permanentmagnet abgestoßen.
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Die Vorrichtung wird mit einer Frequenz aktiviert, die niedriger ist als die maximal zulässige Frequenz.
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Die Elektromagnete (3) des Stators können mittels eines Luftkühlsystems mit einem Lüfter (nicht dargestellt) zusätzlich runtergekühlt werden. Der Lüfter kann mittels eines von den Elektromagneten (3) erzeugten Magnetfeldes gedreht werden.
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Um den Wirkungsgrad der Vorrichtung zu verbessern, können Strömungsführungen (12) an einem Geräteeinlass und Strömungsgleichrichter (13) an einem Geräteauslass montiert werden. Die Führungen (12) und Strömungsgleichrichter (13) werden vorzugsweise in Form von gebogenen Petalen ausgeführt.
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Wie in 5a zu sehen ist, können die rotierenden Schaufeln ohne diesen Elementen dazu führen, dass der durch die Vorrichtung fließende Fluidstrom einen Teil der gewonnenen mechanischen Energie verloren geht, die zur Erzeugung von parasitären Fluidwirbeln stromaufwärts und stromabwärts des rotierenden Rades verwendet wird, wobei die Richtungen der Wirbel der Richtung der rotierenden Raddrehung entsprechen. Die Führungen (12) und Richtmaschinen (13) (5b) glätten den Fluss deutlich und hemmen parasitäre Wirbel, wodurch die Effizienz der Energieübertragung auf ein Pumpfluid verbessert wird.
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Auf diese Weise hat das Gerät nach dem vorliegenden Gebrauchsmuster folgende Vorteile:
- 1. Die Verwendung eines rotierenden Rades als Rotor ermöglicht es, auf teure Komponenten (wie eine Welle, Wellenlager, eine Wellendichtung) zu verzichten, den Wirkungsgrad der mechanischen Energieübertragung zu verbessern und die Gesamtabmessungen zu reduzieren und die Gesamtmenge der Materialien durch die Kombination eines Gehäuses eines Motorstators und eines Gehäuses einer Pumpenvorrichtung (eine Pumpe, ein Kompressor usw.) zu minimieren. All dies ermöglicht es, die Herstellungskosten und die Abmessungen der Geräte deutlich zu senken, die Energieeffizienz zu verbessern und den Prozess der Geräteherstellung zu erleichtern.
- 2. Es erlaubt die Verwendung von einheitlichen, identischen Hauptelementen der Vorrichtung (Elektromagnete, Magnetkerne) in einem breiten Leistungsbereich der Vorrichtung. Dies vereinfacht den Herstellungsprozess für die Massenproduktion erheblich und reduziert gleichzeitig die Produktionskosten des Gerätes.
- 3. Die Vorrichtung ermöglicht die Herstellung von mehrstufigen Pumpenaggregaten mit unterschiedlichen Drehzahlen von rotierenden Rädern in verschiedenen Stufen. Dies ermöglicht die Herstellung von Pumpen oder Kompressoren mit einem breiten hydro- oder aerodynamischen Eigenschaftsspektrum.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2013039785 [0003]
- DE 2354046 [0003]
- US 6030188 [0003]
- US 6896492 [0003]
- US 4618806 [0004]