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Pumpen-Magnetkupplung Die Erfindung betrifft eine Pumpen-Magnetkupplung
zwischen einer insbesondere stopfbüchsenlosen Pumpe und den vorzugsweise einen Elektromotor
aufweisenden Pumpenantrieb.
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Derartige Magnet-Kupplungen sind bereits bekannt.
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Bei Motor-Pumpenaggregaten ermöglichen sie einen stopfbüchsenlosen
und damit hermetisch dichten Abschluß der Pumpe.
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Dabei befindet sich ein Kupplungsteil innerhalb von dem Pumpengehäuse
und das andere Kupplungsteil ist außerhalb des Pumpengehäuses angeordnet und steht
in magnetischer Verbindung mit dem inneren" Kupplungsteil.
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Neben dem Betriebs-Nennmoment muß diese Kupplung auch das wesentlich
höhere Anlaufmoment beim Hochlaufen des Motors übertragen können.
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Problematisch ist dabei, daß Magnetkupplungen beim Uberschreiten ihres
maximalen Übertragungsmomentes außer Tritt fallen kann; d.h., daß praktisch keine
Antriebsübertragung mehr stattfindet. Die Übertragung ist dann "abgerissen.
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Um dieses "Abreißen" bei Magnetkupplungen zu vermeiden, ist eine entsprechende
Dimensionierung insbesondere mit entsprechend starken Magneten erforderlich. Die
Baugröße dieser Magnetkupplungen wird dabei in nachteiliger Weise vergleichsweise
groß und außerdem ist eine solche Magnet-Kupplung auch teuer.
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Man könnte zwar zur Vermeidung eines hohen Anlaufmomentes eine z.B.
elektronische Anlaufregelung vorsehen; dies bedeutet jedoch insbesondere bei antriebsstarken
Aggregaten ebenfalls einen erheblichen Aufwand.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Pumpen-Magnetkupplung
der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die eine vergleichsweise geringe Baugröße
aufweist und deren mögliches Übertragungsmoment insbesondere auf das benötigte Nennmoment
der Pumpe abgestimmt ist.Der Aufwand für eine solche Magnetkupplung soll dabei vergleichsweise
niedrig sein.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß insbesondere vorgeschlagen,
daß der Pumpenantrieb mit einer zusätzlichen Rotationsträgheitsmasse versehen ist,
die das Hochlaufen des Pumpenantriebs derart verlangsamt, daß die Mitnehmerkräfte
der zugehörigen Magnetkupplung beim Hochlaufen nicht überschritten werden.
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Das motor-charakteristische, vergleichsweise hohe Kippmoment kann
dadurch während der Anlauf- und Hochlaufphase gedämpft werden, so daß die Übertragungskräfte
zwischen dem Motor und der Pumpe während der Anlauf- und Hochlaufphase reduziert
sind. Die Magnetkupplung kann deshalb in vorteilhafter Weise eine auf dieses reduzierte
Übertragungsmoment abgestimmte und damit vergleichsweise kleine Baugröße aufweisen.
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Nach einer praktischen Ausführungsform ist auf der Antriebsseite der
Kupplung wenigstens eine mit der Antriebswelle drehfest verbundene zusätzliche Masse,
insbesondere eine Schwungscheibe od.dgl. vorgesehen. Dadurch kann auf einfache Weise
das antriebsseitige Massenträgheitsmoment vergrössert werden, was vorteilhafterweise
zu einer Reduzierung des Motor-Kippmomentes führt.
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-Zusätzliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen
sowie in der Beschreibung aufgeführt.
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Nachstehend ist die Erfindung mit ihren wesentlichen Einzelheiten
anhand der Zeichnung noch näher erläutert.
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Es zeigt: Fig. 1 eine zum Teil im Längsschnitt gehaltene Teildarstellung'eines
Motor-Pumpenaggregates mit Magnetkupplung, -Fig. 2 stärker schematisiert einen Elektromotor
mit Magnetkupplung und Fig. 3 ein Drehmoment-Drehzahl-Diagramm.
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Ein insgesamt mit 1 bezeichnetes Motor-Purrggregat (Fig. 1) weist
als Antriebsübertragung eine Magnetkupplung 2 auf. Ein Kupplungsteil ist dabei mit
dem Motor 3 verbunden, während das andere Kupplungsteil auf der Pumpenwelle 4 sitzt
und zu der Pumpe 5 gehört. Das pumpenseitige Kupplungsteil ist dem Pumpen-Innenraum
zugeordnet und insbesondere innerhalb eines sogenannten Spaittopfes 7 aus elektrisch
leitendem Material untergebracht.
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Die Verbindung eines Antriebsmotors 3 mit einer Pumpe 5 mittels einer
Magnetkupplung 2 ermöglicht eine stopfbüchsenlose Ausführung der Pumpe.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausführung eines Motor-Pumpenaggregates
1 mit einer Magnetkupplung 2 soll zur Reduzierung des Motor-Kippmomentes die antriebsseitig
rotierende Masse und damit das antriebsseitige Massen-Trägheitsmoment möglichst
groß sein, während das Massen-Trägheitsmoment der angetriebenen rotierenden Teile
(pumpenseitig) möglichst klein sein soll.
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Eine erfindungsgemäße Lösung sieht dazu vor, daß auf der Antriebsseite
der Magnetkupplung 2 eine mit der Antriebswelle 8 drehfest verbundene zusätzliche
Masse vorgesehen ist. Dazu dient z.B. die in Fig. 1 erkennbare Schwungscheibe 9,
die hier auf dem antriebsseitigen Kupplungsteil sitzt.
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Insbesondere ist das Trägheitsmoment dieser Schwungscheibe9 derart
bemessen, daß das Antriebsmoment des Motors 3 auch in der Hochlaufphase, wobei die
Drehzahl des Motors sich bis zur Nennbetriebs-Drehzahl steigert, kleiner ist als
das maximale von der Magnetkupplung 2 übertragbare Drehmoment.
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Für diesen Fall wird ein "außer Tritt fallen" der Magnetkupplung 2
vermieden. Ggf. könnte auch noch zusätzlich eine weitere Schwungscheibe 9' (Fig.
2) auf der Rückseite des motors 3 vorgesehen sein.
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Fig. 1 und 2 lassen erkennen, daß das antriebsseitige Kupplungsteil
der Magnetkupplung 2 glockenartig mit seiner öffnungsseite zur Pumpe 5 weisend ausgebildet
ist. Dieses Glockenteil 10 umfaßt den Spalttopf 7 der Pumpe 5. In koaxialer Anordnung
zu diesem Glockenteil 10 befindet sich innerhalb des Spalttopfes 7 das Abtriebs-Kupplungselement
11.
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In dem Spalt 12 zwischen dem Glockenteil 10 und dem Abtriebs-Kupplungselement
11 sind einander gegenüberliegend Permanentmagnete 13 vorgesehen, die sich einerseits
auf der inneren Mantelfläche 14 des Glockenteiles 10 und andererseits auf der äußeren
Mantelfläche 15 des Abtriebs-Kupplungselementes 11 befinden.
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Um antriebsseitig ein möglichst großes Massen-Trägheitsmoment zur
Verfügung zu haben, ist es vorteilhaft, wenn insbesondere die radial weiter außen
liegenden Teile der rotierenden Körper, insbesondere der Schwungscheibe 9 sowie
des Glockenteiles 10 eine vergleichsweise hohe Masse aufweisen. Dies basiert auf
dem physikalischen Zusammenhang zwischen der rotierenden Masse und dem Abstand der
Masse von der Drehachse, wobei der Abstand quadratisch eingeht.
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Dementsprechend könnte das Glockenteil 10, wie strichpunktiert in
Figur eingezeichnet, auch einen vergleichsweise dickwandigen Außenmantel 16 aufweisen,
während das Abtriebskupplungselement 11 einen vergleichsweise dünnwandigen Aussenmantel
17 besitzt.
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In der Praxis hat sich der in Fig. 1 und 2 erkennbare Aufbau des Abtriebs-Kupplungselementes
11 mit einem.etwa H-förmigen Querschnitt als günstig gezeigt. Dadurch ist einerseits
nämlich eine vergleichsweise große Außenmantelfläche gebildet, die auch als Träger
für die Permanentmagnete 13 dient, und andererseits weist dieses Abtriebs-Kupplungselement
11 in erwünschter Weise ein vergleichsweise kleines Massen-Trägheitsmoment auf.
Der zylindrische Außenmantel 17 ist dabei über ein etwa scheibenförmiges Nabenteil
18 mit der Pumpenwelle 4 drehfest verbunden.
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Durch die vorerwähnten Maßnahmen einerseits zur Vergrößerung des antriebsseitigen
Trägheitsmomentes und andererseits zur Verkleinerung des abtriebsseitigen Trägheitsmomentes,
kann als Antriebs-Motor 3 vorzugsweise auch ein Asynchronmotor, insbesondere ein
Drehstromasynchranmotor od.dgl. verwendet werden. Derartige Motoren haben sich in
der Praxis bewährt und sie werden bevorzugt als Pumpenantriebe eingesetzt. Die vorerwähnten
Motoren weisen ein im Vergleich zu ihrem Nennmoment hohes Kippmoment auf, so daß
entsprechend hoheWiikelbeschleunigungen beim Anlaufen des Motors auftreten. Durch
die erfindungsgemäßen Maßnahmen können jedoch auch diese bewährten Motoren gut und
ohne erheblichen -Mehraufd als PuExfuntrieb eingesetzt werden.
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Fig. 3 zeigt in einem unmaßstäblichen Diagramm den Drehmomentenverlauf
eines Asynchronmotors. Charakteristisch ist dabei das vergleichsweise hohe Kippmoment
MK , das wesentlich über dem Nelmrrxnt N liegt. Die mit Mgeg bezeichnete Kurve zeigt
den durch die Pumpe hervorgerufenen Gegenmomentenverlauf.
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Diese Kurve schneidet den Kurvenverlauf des Motordrehmomentes im Schnittpunkt
des Motornennmomentes N und der Nenndrehzahl #N. Dieser Schnittpunkt stellt den
sich einstellenden Normalbetriebspunkt des Motor-Pumpenaggregates dar. Strichpunktiert
ist die Kurve (Gerade) des maximalen Ubertragungsmomentes MKUppmax der Magnetkupplung
2 eingezeichnet.
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Dieses maximale Kupplungs--Ubertragungsmoment liegt zweckmäßigerweise
etwa 20% über dem Nennmoment MN , so daß dadurch die in der Praxis notwendige Übertragungssicherheit
gewährleistet ist.
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Herkömmliche Magnetkupplungs-Anordnungen müßten in der Lage sein,
ein wesentlich höheres Übertragungsmoment in Anpassung an das Kippmoment MK des
Motors 3 zu übertragen.
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Zur Erfindung wird noch folgendes theoretisch erläutert: Bezeichnungen:
J1 = Trägheitsmoment antriebsseitig (E-Motor + Schwungscheibe + äußeren Magnetträger)
J2 = Trägheitsmoment abtriebseitig (Pumpe + inneren Magnetträger) Jges = J1 + J2(Gesamtträgheitsmoment)
M MKupp. max = maximales Kupplungsmoment (bis Abreißen)
Mgeg =
statisches Gegenmoment = Mpu + W verlust (Pumpe + Verluste infolge Wirbelströme
u. Reibung) Man = Beschleunigungsmoment der Abtriebsseite ot = Moment des Antriebsmotors
(E-Motor) Mübert = auf Abtriebsseite übertragenes Drehmoment Mges Mdyn Das durch
die Magnetkupplung auf die Abtriebsseite übertragene Drehmoment (1) Mübert = Mgeg
+ Mdyn setzt sich aus dem statischen Gegenmoment (2) Mgeg = Pumpe + MVerlust und
dem dynamischen Moment (3) Mdyn J2 .d# der Abtriebsseite zusammen.
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Dabei ist d/dt die Wickelbeschleunigung, die im Falle eines synchronen
Hochlaufs gegeben ist durch:
Nach Einsetzen von (4) in (3) und (1) ergibt sich für Mübertr.:
Anhand dieser Formel läßt sich folgendes ablesen: der Anteil des Motormoments MMot
insbesondere des Motorkippmoments an Mübertr. 1wird um so kleiner, je größer J1
im Vergleich zu J2 wird.
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Die Bedingung für ein Nichtabreißen der Kupplung lAutet (6) Mübertr.
< MKuppl.max über den gesamten Drehzahlbereich bzw.
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Sehr oft verwendet man handelsübliche Drehstrom-Asynchroinnotoren
mit MK / MN ' 3. Ebenso ist in der Praxis zu beachten, daß man bei Kreisel-Pumpen
ein etwa mit a quadratisch ansteigendes Gegenmoment hat.
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Ferner wählt man in der Praxis häufig eine 20%-ige Oberdimensionierung
der Magnetkupplung über den Antriebsmotor (MKupp.max = 1 , 2 Berücksichtigt man
neben den vorstehenden theoretischen Erläuterungen die zuletzt genannten, in der
Praxis gebräuchlichen Gesichtspunkte, kann man folgende zahlenmäßige Relation ableiten:
Ein einwandfreier Anlauf ist regelmäßig dann möglich, wenn J1 etwa doppelt so groß
wie J2 gewählt wird.
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Durch die Erfindung wird also insbesondere folgendes dargelegt: Die
Wahl eines möglichst großen Trägheitsmomentes J1 auf der Antriebsseite und eines
möglichst kleinen Trägheitsmomentes J2 auf der Abtriebsseite führt zu einer wirksamen
Reduzierung des Motor-Kippmomentes. Die in der Praxis einfachste Form der Verwirklichung
besteht darin, daß die Antriebsseite mit einer schwungradähnlichen Rotationsträgheitsmasse
versehen ist.
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Man kann die durch die Erfindung angestrebten Verhältnisse auch noch
dadurch begünstigen, daß man konstruktive Maßnahmen trifft, um das abtriebsseitige
Trägheitsmoment J2 zu verkleinern (vgl.
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den zweiten Satzteil von Anspruch 6).
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Vorstehend sind als Beispiel anhand der theoretischen Erörterung auch
ein Bereich aufgezeigt, in dem die Erfindung für praktische Fälle realisiert werden
kann, wobei auch eine zahlmäßige Relation zwischen dem antriebsseitigen Trägheitsmoment
J1 und dem abtriebsseitigen Trägheitsmoment J2 für praktische Fälle aufgezeigt wird.
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Ferner zeigt die Erfindung auf, wie man in einigen Sonderfällen zu
einer abreiß-sicheren Pumpen-Magnetkupplung kommt. Beispielsweise kann der Sicherheitsfaktor
MKupp.Inax /mm den jeweiliRen besonderen Verhältnissen angepaßt werden.
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Ein Motor-Pumpen-Aggregat, bei dem der Pumpeninnenraum antriebsseitig
hermetisch, also ohne Stopfbüchse, Dichtungsringe od.dgl.
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abgeschlossen ist, bei dem also der Antrieb der Pumpe mit Hilfe einer
erfindungsgemäßen Pumpen-Magnetkupplung erfolgt, hat ganz allgemein den Vorteil,
daß die Abdichtung beim Pumpenantrieb weniger aufwendig und dennoch zuverlässiger
ist als z.B. bei bekannten Gleitring-, Stopfbüchsen-, Dichtlippendichtungen u.dgl.;
hinzu kommt die Wartungsfreiheit solcher Pumpen-Magnetkupplungen.
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Die vorliegende Erfindung zeigt dann zusätzlich auf, wie man mit vergleichsweise
einfachen Mitteln das bei Pumpen-Magnetkupplungen mögliche "Abreißen" der Kraftübertragung
vermeiden kann. Die Erfindung verbindet dementsprechend die Vorteile von vorbekannten
Pumpenantrieben,
ohne daß deren jeweilige Nachteile auftreten.
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Die erfindungsgemäße Pumpenmagnetkupplung ist insbesondere für Kreiselpumpen
vorgesehen und hat sich dort in praktischen Versuchen bewährt. Im Bedarfsfall kann
diese Pumpenmagnetkupplung aber auch bei Schrauben-, Flügel-, Verdränger-, Drehkolben-
und Exzenter-Schnecken-Großpumpen od.dgl. Anwendung finden.
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Alle vorbeschriebenen, in den Zeichnungen erläuterten sowie in den
Anspruchsmerkmalen aufgeführten Einzelmerkmale können einzeln oder in beliebiger
Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
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