Strömungsmaschine mit Magnetkupplungsantrieb Beschreibung 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.

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 abhän- gig 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 sol- che Kupplung, bezogen auf einen stationären Pumpenbetrieb, erheblich überdimensio- niert. 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.

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 gegen- über den üblichen Magnetkupplungen den Vorteil, dass die Übertragungsfähigkeit bei Überschreiten eines maximalen Drehmomentes nicht abreißt und deshalb ein Stillset- zen des Antriebes zum Einkuppeln nicht mehr erforderlich ist. Deren Nachteil ist jedoch der hohe Kostenaufwand zur Befestigung der teuren Permanentmagnete hoher Lei- stungsdichte 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 Dreh- zahlen betrieben wird, ist eine solche Pumpe überdimensioniert und nicht auf einen sparsamen Betriebspunkt ausgelegt.

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 Anlagen- technik häufigen Projektierungsansatz ergibt sich im allgemeinen eine Überdimensio- nierung einer solchen Strömungsmaschine und damit auch des zugehörigen Antriebes.

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 gewährlei- stet.

Die Lösung dieses Problem sieht die Anordnung einer Hysteresekupplung zwischen einem Antriebsmotor in Form eines Drehstrom-Asynchronmotor und der Strömungsma- schine 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 Per- manentmagnetmaterial eingespart. Und da das Hysteresematerial laufend ummagneti- siert werden kann, ist eine solche Kupplung wesentlich betriebssicher.

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 schlupfbe- hafteten Betriebszustand auftretenden Wirbelströme sind vernachlässigbar und gefähr- den nicht mehr die ganze Kupplung. Ursächlich dafür ist die Fähigkeit zum Ummagneti- sieren des Hysteresematerials.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch die Ausgestaltung als verstellbare Hysteresekupp- lung. 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 vorgegebe- ner Einstelldaten erfolgt eine solche Einstellung im Stillstand. Bei eventuell später not- wendigen Änderungen muss eine gewählte Einstellung der Rotoren nur geändert wer- den, um die Fördermenge der Kreiselpumpe an die jeweilige Betriebssituation anzupas- sen. 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 Wär- me umgesetzt wird. Da hier aber nur ein kleiner Drehzahlstellbereich benötigt wird, sind diese systembedingten Verluste akzeptierbar. Der Gesamtwirkungsgrad lässt sich zu- sätzlich verbessern, wenn als Antriebsmotor ein Drehstrom-Asynchronmotor mit ver- bessertem Wirkungsgrad verwendet wird.

Nach einer Ausgestaltung der Neuerung ist mindestens einer der ineinander angeord- neten Rotoren der Hysteresekupplung als axial verstellbarer Rotor ausgebildet ist. In- nerhalb der Hysteresekupplung sind die ineinander angeordneten Rotoren, auch als Außenrotor und Innenrotor bezeichnet, als axial zueinander verstellbare Bauteile aus- gebildet. 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 ge- wünschten Anlagebetriebspunkt. Ein sich durch die Verstellung innerhalb der Hystere- sekupplung eventuell einstellender Schlupf ist vernachlässigbar im Vergleich zu den Einsparungen an Betriebskosten aufgrund eines Betriebes im genauen Anlagebe- triebspunkt.

Andere Ausgestaltungen der Neuerungen sehen vor, dass eine Regeleinrichtung wäh- rend eines Betriebes die Betriebsposition zwischen Außenrotor und Innenrotor verän- dert und dass der Antriebsmotor und ein damit in Wirkverbindung stehender Rotor der Hysteresekupplung axial verschiebbar angeordnet sind. Diese Maßnahmen ermögli- chen die axiale Veränderung des Überdeckungsgrades der Kupplungsteile der Hystere- sekupplung auch während eines laufenden Betriebes. Dies können eine axiale Ver- schiebbarkeit 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.

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 ge- samte Elektromotor wird gegenüber der Strömungsmaschine während des Betriebes verschiebbar angeordnet.

Hierzu sieht eine andere Ausgestaltung vor, dass der Antriebsmotor über ein Regel- oder Verstellgewinde mit der Strömungsmaschine und/oder dem Magnetkupplungsan- trieb verbunden ist und dass eine Drehbewegung im Regel-oder Verstellgewinde die Lage eines Rotors der Hysteresekupplung verändert. Der Motor ist über das eine ge- eigneter Steigung aufweisende Regel-oder Verstellgewinde mit dem Gehäuse der Kupplung oder der Strömungsmaschine verbunden. Durch einen Aktuator, beispiels- weise einen Verstellmotor, der seine Regelimpulse von einem Regler erhält, werden die durch das Regel-oder Verstellgewinde miteinander verbundenen Bauteile in eine sol- che Stellung zueinander gebracht, dass eine dadurch bedingte Axialverschiebung die für den gewünschten Regelungszustand erforderliche Überdeckung zwischen den Roto- ren der Hysteresekupplung herbeiführt.

Zusätzlich ergibt sich der Vorteil der leichteren Auswahl einer Pumpe aus einer Pum- penbaureihe. In einem Pumpenkatalog sind die verschiedenen Pumpengrößen mit ihren jeweiligen Pumpenkennlinien zu einem Kennfeld zusammengefasst. In einzelnen Fäl- len, 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 Leistungs- übertragung.

Und ein weiterer Vorteil der Verwendung der Hysteresekupplung besteht in der Dimen- sionierung 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 Ver- kleinerung der gesamten Kupplung bei gleichzeitig verbesserter Übertragungsqualität.

Weiter stellt die Hysteresekupplung einen Überlastschutz dar, so dass eine dadurch an- getriebene Kreiselpumpe oder Strömungsmaschine von der Motorseite her nicht über- lastet 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 Einstell- barkeit hinsichtlich der zu übertragenden Leistungen. Trotzdem bleiben bei der verstell- bare Hysteresekupplung alle Vorteile einer Magnetkupplung erhalten. Dies ist die be- rührungslose Verbindung zwischen Pumpe und Motor, ein einfacher Motortausch und die Integration eines Spalttopfes, womit ein Fördermedium zuverlässig von der Atmo- sphäre getrennt wird. Weiterhin die Einstellung einer gewünschten Pumpendrehzahl und damit der exakten Fördermenge.

Ein Ausführungsbeispiel der Neuerung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen die

Fig. 1 eine Verstellmöglichkeit eines Rotors und die Fig. 2 eine Regelmöglichkeit mittels Regelgewinde Die Fig. 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 befe- stigt ist. Das Kupplungsgehäuse 4 ist so ausgebildet, dass es gleichzeitig einen Spalt- topf 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 Kreisel- pumpe 1 ein Laufrad 1.1 befestigt und auf der anderen Seite der Welle 8 ist ein Rotor 9 der Hysteresekupplung 2 angeordnet.

Die hier gezeigte Kreiselpumpe ist für die Förderung chemischer Flüssigkeiten ausge- bildet, weshalb alle flüssigkeitsberührten Oberflächen der Kreiselpumpe 1, des Laufra- des 1.1, des Gehäusedeckels 5 und des Spalttopfes 6 mit einem entsprechenden Schutzüberzug 14 versehen sind.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein äußerer Rotor 10 der Hysteresekupplung axial verschiebbar auf einem Wellenstumpf 11 des Antriebsmotors 3 befestigt. Die Axialer- schiebung 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 Verstellmöglich- keiten 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.

Bei einer Ausführungsform ohne Spaltrohr kann in analoger Weise auch eine Verste- lung am Innenrotor 9 erfolgen.

Die Hysteresekupplung 2 ist derart ausgeführt, dass auf der Außenseite des inneren Kupplungsteiles, dem Innenrotor 9, Seltenerdmagnete 15 angeordnet sind. Diese bauen ein magnetisches Luftspalffeld 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 Temperaturabhängig- keit der Hysteresekupplung gering ist, sind vorzugsweise die Werkstoffe Sm2Co17 oder A1NiCo zu verwenden.

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 Hysterese- kupplung auf das wesentlich höhere Kippdrehmoment eines Asynchron-Drehstrom- motors auszulegen. Zusätzlich hat die Hysteresekupplung 2 den Vorteil eines Überlast- schutzes, 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 Stellbe- reich entlang der Verbindung zwischen Außenrotor 10 und Motorwelle 11 erfolgt eine einfache Anpassung an die jeweiligen Betriebsverhältnisse.

Fig. 2 zeigt eine andere Art der Verstellung, wobei zwischen Hysteresekupplung 2 und Antriebsmotor 3 ein Verstell-oder Regelgewinde 17 angeordnet ist. In der Fig. 2 ist das einteilige Flanschgehäuse 13 nach Fig. 1 als eine mehrteilige Bauform ausgebildet. da- bei sind dessen Flanschgehäuseteile 13.1 und 13.2 durch das Verstell-oder Regelge- winde 17 kraft-und formschlüssig miteinander verbunden. Am Antriebsmotor 3 ist zu- sätzlich 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 Antriebsmo- tor 3 relativ zu einem-hier nicht dargestellten-Aufstellort in Richtung der Motordreh- achse verschoben. Dabei zieht oder schiebt die Motorwelle 11, in Abhängigkeit von der Drehrichtung, den Rotor 10 ebenfalls in eine andere Position, wodurch in axialer Rich- tung 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.

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 Flansch- gehäuse 13,13. 1 und 13.2 oder am Kupplungsgehäuse 4 Verwendung finden. Wesent- lich ist die Veränderung der relativen axialen Lage von Motor 3 und dem damit verbun- denen Rotorteil 10 zur Strömungsmaschine 1 beziehungsweise zur Hysteresekupp- lung 2. Infolgedessen verändert sich in der Hysteresekupplung 2 der Überdeckungsgrad der Rotoren 9,10.