K S B A k t i e n g e s e l l s c h a f t

Permanent erregter Rotor für Arbeitsmaschinen

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Arbeitsmaschine, die direkt oder indirekt verbunden ist mit einem Motor, wobei eine Kraftübertragung vom Motor auf die Arbeitsmaschine mit mindestens einen durch magnetische oder elektromagnetische Felder angetriebenen Rotor erfolgt, insbesondere ein Rotor zum Antrieb von Strömungsmaschinen, wobei der Rotor mit über den Umfang verteilten Permanentmagneten ausgestattet und für einen Betrieb in einer chemisch aggressiven Umgebung ausgebildet ist.

Solche Arbeitsmaschinen finden häufig Anwendung im Bereich der chemischen Industrie in Form einer Strömungs-Arbeitsmaschine, häufig einer Fördereinrichtung in Form einer Pumpe; ebenso bei Mischern und Rührern. Dort sind mit Permanentmagneten ausgestattet Rotoren in Magnetkupplungen, Hysteresekupplungen oder Spaltrohrmotoren eingesetzt. Für eine hermetische Abdichtung einer mit aggressi- ven, gefährlichen oder kostbaren Flüssigkeiten beaufschlagten Arbeitsmaschine sind derartige Rotoren innerhalb eines mit Fördermedium gefüllten Spalttopfes oder Spaltrohres angeordnet. Dieses im folgenden als Spaltelement bezeichnete Bauteil dient zur hermetischen Abdichtung zwischen zwei Räumen, zum einen der Umgebung und zum anderen einem mit gefährlichen Fördermedium gefüllten, den Rotor enthalten- den Raum. Die Beanspruchungskriterien ergeben sich aus den korrosiven, erosiven, abrasiven, kavitierenden und tribologischen Faktoren und/oder Beanspruchungen.

Auf einen solchen mit Permanentmagneten ausgestatteten Rotor überträgt ein zweites Element, gewöhnlich ein äußeres Element, eine Antriebsenergie. Ist der Rotor Bestandteil von einem elektronisch kommutierten Motor, so wäre das zweite Element ein Stator mit einer Drehfeldwicklung. Durch deren umlaufende und auf den mit Permanentmagneten ausgestatteten Rotor einwirkenden magnetischen Drehfelder be-

sitzt ein solcher Antrieb einen wesentlich höheren Systemwirkungsgrad. Dadurch fallen für einen Anlagenbetreiber die Lebenszykluskosten einer durch einen solchen Rotor angetriebenen Maschine günstiger aus. Und ist der Rotor als Bestandteil einer Magnet- oder Hysteresekupplung ausgebildet, so überträgt ein rotierend angeordne- ter Außenrotor mit seinen Permanentmagneten seine Rotationsbewegung auf den mit der Arbeitsmaschine verbundenen Rotor. Die Magnetkräfte bewirken dabei den Mitnahmeeffekt. Bei einer hermetisch dichten Kupplung ist zwischen Rotor und Außenrotor ein dichtendes Spaltelement angeordnet.

Solche Rotoren mit am Umfang angeordneten Permanentmagneten bestehen aus einem Rotoraktivteil für den magnetischen Rückschluss der Permanentmagnete und sind zur Drehmomentübertragung mit einer Welle verbunden. Das Rotoraktivteil ist von einer korrosionsbeständigen Metallhülle ummantelt, um die Oberflächen der Permanentmagnete vor dem Angriff durch die Flüssigkeit zu schützen und im Betrieb auftretende Fliehkräfte aufzunehmen. Eine solche Ummantelung reduziert zusätzlich den hydraulischen Widerstand des innerhalb eines Spaltelementes in der Flüssigkeit rotierenden Rotors. Das Drehmoment eines solchen Rotors wird mit der Welle auf ein Element einer Arbeitsmaschine, gewöhnlich ein Laufrad einer Pumpe, übertragen. Die Welle ist aus einem gegenüber der jeweiligen Flüssigkeit beständigen Material gefertigt. Aufgrund seiner Funktion besteht der Rotor aus einem magnetisch hoch permeablen, korrosionsunbeständigen Material. Deshalb sind zusätzlich zu der Ummantelung auch die Stirnflächen des Rotoraktivteils und die übergange zur korrosionsbeständigen Welle durch zusätzliche Mittel abzudichten und vor Korrosion zu schützen. Dies erfolgt durch zusätzliche Schutzbleche oder Vergussmaßnahmen.

Eine andere Lösung zeigt die EP 1 719 916 A1 für Pumpenaggregate in Form von Heizungsumwälzpumpen, deren elektrische Antriebsmotoren als Permanentmagnetmotoren ausgebildet sind. Die Schrift kritisiert an den bekannten Permanentmagnetmotoren , das sie einen mit Permanentmagneten bestückten Rotor aufweisen, der durch geeignete Bestromung von Statorspulen in Rotation versetzt wird. Diese bekannten Rotoren sind mit einer Rotorwelle in Gleitlagern im Statorgehäuse bzw. am Stator drehbar gelagert, wobei der eigentliche Rotor mit den Permanentmagneten

auf der Rotorwelle fixiert ist. Die einzelnen Permanentmagnete sind in Ausnehmungen eines Blechpaketes angeordnet, in dessen zentrale öffnung die Rotorwelle eingesetzt ist. Als Verbesserung soll es möglich sein, die gesamte Rotorwelle mit einem magnetisierbaren Material als Rotor zu umgeben und einzelne Magnetpole durch eine gezielte Magnetisierung auszubilden. Um einen solchen Herstellungsaufwand zu reduzieren und Kosten zu sparen ist bei der EP 1 719 916 A1 der Rotor zumindest in einem Teilbereich seiner axialen Erstreckung wellenlos und vollständig aus einem magnetisierbaren, ferritischen Material ausgebildet ist und die Magnetpole des Rotors werden durch Magnetisierung des ferritischen Materials erzeugt. Eine solche Lösung eines aus verpressten oder gesinterten Material erstellten Rotors ist nur bei den für ein einfaches Fördermedium ausgelegten und kleine Leistungen aufweisenden Heizungsumwälzpumpen verwendbar. Eine solche Lösung ist aufgrund des ferritisches Materials im chemischen Bereich aus Gründen der mangelnden Korrosionsbeständigkeit nicht einsetzbar. Die dort notwendigerweise verwendeten Edelstahle sind üblicherweise nicht magnetisierbare Austenite.

Es ist Aufgabe der Erfindung, für einen im chemischen Bereich verwendbaren, flüs- sigkeitsumspülten Rotor einen Aufbau zu entwickeln, womit eine hohe Beständigkeit gegenüber korrosiven und/oder aggressiven Flüssigkeit gegeben und ein hoher Wir- kungsgrad für einen mit einem solchen Rotor ausgestatteten Antrieb gewährleistet ist.

Die Lösung dieses Problems sieht vor, dass ein Rotoraktivteil und eine damit verbundene Welle aus einem korrosionsbeständigen Edelstahl aus der Gruppe ferri- tisch-austenischer Duplexstähle mit 40 - 60 % Ferrit hergestellt ist und dass in den Außenumfang eines solchen Rotoraktivteiles integrierte Permanentmagnete vor chemischen Angriffen geschützt sind. Durch die Ausbildung von Rotoraktivteil und Weüe aus einem korrosionsbeständigen Edelstahl aus der Gruppe ferritisch- austenischer Duplexstähle entfallen die bisher notwendigen Schutzmaßnahmen im Bereich zwischen Rotoraktivteil und dem übergang zur Welle. In dem Rotoraktivteil kann die Welle oder können Wellenteile in an sich bekannter Art als separate Teile angeordnet sein. Ebenso kann der Rotor als ein einteiliger Rotor mit angeformter

Welle gestaltet sein. Hierfür hat sich die Verwendung eines gegossenen oder geschmiedeten Vorformling und dessen spanabhebende Bearbeitung als vorteilhaft erwiesen. Die Verwendung eines Edelstahles aus der Gruppe ferritisch-austenischer Duplexstähle für einen Rotor mit angeformter oder in dem Rotoraktivteil angeordne- ter Welle oder Wellenteilen bedingen eine erhebliche Materialreduzierung im gesamten Herstellungsprozess.

Dem vermeintlichen Nachteil einer schwierigeren Bearbeitung solcher Duplexstähle steht der gravierende Vorteil eines einzigen hochkorrosionsbeständigen Materials gegenüber. Dadurch wird gegenüber der bisherigen Verwendung von verschiedenen Materialien eine Bauteilstandarisierung, Matehalminimierung und schnellere Fertigung erreicht. Die bisher erforderlichen separaten Schutzmaßnahmen einzelner Blechlamellen entfallen damit vollständig. Und im Gegensatz zu einem Rotorkörper aus einem magnetisch hochpermeablen Material weist der aus einem Duplexstahl bestehende Rotoraktivteil eine wesentlich geringere Drehmomentwelligkeit auf, wodurch das Rotationsverhalten verbessert wird.

Ausgestaltungen sehen vor, dass das Rotoraktivteil aus mehreren Rotormodulen zusammengesetzt ist, wobei eine axiale Länge eines Rotormoduls durch die Abmes- sungen von darin anzuordnenden Permanentmagneten definiert ist. Die Rotormodule sind formschlüssig und/oder mittels einer Welle oder mittels Wellenteilen aneinander befestigt. Dadurch ist in einfacher Weise eine Anpassung an die jeweils benötigte Rotorbaulänge zur Erlangung der für den jeweiligen Anwendungsfall notwendigen permanentmagnetischen Energie möglich. Auch können damit lange Rotorbaulängen einfach realisiert werden. Jedes Rotormodul besteht hierbei aus einem massiven Edelstahlblock aus der Gruppe der Duplexstähle. Eine Verwendung von Modulen in Form von paketierten Blechschnitten, wie sie durch die EP 1 657 800 A1 bekannt ist, scheidet aus. Da keine sichere Abdichtung zwischen solchen eiπzeinen, gestapeiten Blechschnitten möglich ist, ist infolgedessen auch kein Schutz der Permanent- magnete gegenüber den korrosiven Medien möglich.

Eine Maßnahme, wonach die Permanentmagnete unterhalb der Rotoroberfläche angeordnet sind, schützt die Permanentmagnete vor dem Angriff durch korrosive oder aggressive chemische Fördermedien. Die Rotoroberfläche kann hierbei durch eine dünnwandige Hülse aus einem korrosionsbeständigen Edelstahl aus der Gruppe der ferritisch-austenischen Duplexstähle gebildet sein. Eine solche Hülse wird an einem Rotoraktivkörper oder an einem aus Rotormodulen zusammengesetzten Rotoraktivkörper dichtend befestigt. Dies kann mittels Laserschweißen oder anderer bekannter Mittel erfolgen.

Bei einem Verzicht auf eine zusätzliche Hülse zur Ausbildung der zylindrischen Rotoroberfläche können die Permanentmagnete direkt innerhalb der Oberfläche des Rotoraktivkörpers angeordnet sein. Hierbei werden die Permanentmagnete dicht unterhalb der äußeren Oberfläche beziehungsweise der zylindrischen Außenumfangs- fläche innerhalb des Rotoraktivkörpers angeordnet, um durch die massive Rotorober- fläche einen Schutz gegen Korrosionsangriffe auf die gefährdeten Permanentmagnete zu erhalten. Ein solches Einsetzen der Permanentmagnete in den Rotor, den Rotoraktivkörper oder in mehrere massiv ausgebildete Rotormodule sieht Taschen vor, die sich von einer Rotorstirnseite aus in axialer Richtung dicht unter der Außenumfangsfläche erstrecken und die Permanentmagnete aufnehmen. In Abhän- gigkeit von Art und Aufbau solcher Taschen müssen nach einer Montage an einer oder beiden Rotorstirnseiten nur die Aufnahmeöffnungen der Taschen abgedichtet werden. Dazu sind die an mindestens einer Rotorstirnseite angeordneten Aufnahmeöffnungen der Magnettaschen durch separate Mittel verschlossen. Zwar ist durch die DE 10 2005 041 352 A1 ein Rotor bekannt, bei dem Permanentmagnete in den Ta- sehen eines Läuferblechpakets angeordnet sind. Infolge des laminierten Aufbaues kann die Flüssigkeit durch die Spalte zwischen den einzelnen Blechen hindurch zu den Permanentmagneten gelangen und diese beschädigen.

Bei Verwendung von mehreren Rotormodulen wird die Abdichtung der Permanent- magnete an jedem Rotormodul vorgenommen. Ein aus Duplexstahl gefertigtes Rotormodul mit fertigungstechnisch optimierter Axiallänge wäre auf einer CNC- Werkzeugmaschine als ein Serienprodukt nahezu vollautomatisch herstellbar.

Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass die in Taschen des Rotoraktivteiles angeordneten Permanentmagnete schalenförmig, stabförmig, quaderförmig oder ähnlich ausgebildet sind.

Ebenso ist es möglich, einen Rotor mit oder ohne Flusssperren zwischen den im Außenumfang angeordneten Permanentmagneten auszustatten. Einem für die Flusssperren bedingter geringfügig erhöhter Fertigungsaufwand steht der längerfristige Vorteil einer entsprechenden Reduzierung des Polstreuflusses gegenüber. Somit ist eine langfristige Energieeinsparung für eine damit ausgerüstete Arbeitsmaschine gewährleistet.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass die Verwendung eines Edelstahles aus der Gruppe der ferritisch-austenischen Duplexstähle für solche permanent erregten Ro- toren praktisch keinen energetischen Effizienznachteil bedeutet. Zwar besitzen korrosionsbeständige Materialien in Form der Duplexstähle eine kleinere magnetische Permeabilität, welche den magnetischen Spannungsabfall in einem Rotorkörper erhöht. Dadurch sinken die permanenterregte Luftspaltinduktion und die sogenannte Polradspannung und damit das Luftspaltdrehmoment nur leicht. Da aber mit abneh- mender Luftspaltinduktion gleichzeitig auch die bisherigen Eisenverluste in einem den Rotor umgebenden Ständer eines Antriebsmotors und auch im Rotor selbst zurück gehen, ändert sich der Wirkungsgrad eines solchen Antriebsmotors bei geeigneter Auslegung der Material- und Wandstärken nur unwesentlich gegenüber den bisherigen Ausführungen mit magnetisch hoch permeablem aber nicht korrosionsbe- ständigem Material.

Beim Einsatz des Rotors als Teil einer durch Magnetkräfte angetriebenen Kupplung verhält es sich analog. Bei Magnet- oder Hysteresekuppiungen ist das innere Kupplungsteil ebenfalls ein permanentmagneterregter Rotor, der im Prinzip baugleich wie beim permanenterregten Pumpenmotor ist. Somit ist eine Teileverkopplung grundsätzlich möglich. Durch den modularen Aufbau des Rotors ergibt sich der Vorteil ei-

ner Drehmomentstaffelung für eine Produktbaureihe unterschiedlicher Antriebsleistungen.

Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass die Permanentmagnete schalen- förmig, stabförmig, quaderförmig oder ähnlich ausgebildet sind.

Ebenso ist es möglich, einen Rotor mit oder ohne Flusssperren zwischen den im Außenumfang angeordneten Permanentmagneten auszustatten, um somit diesen einen magnetischen Kurzschluss zu verhindern.

Bei dem korrosionsbeständigen ferritisch-austenitischen Duplexstahl mit 40-60% Ferrit handelt es sich um einen Werkstoff , wie er beispielsweise durch die Werkstoff- Nummern bekannt ist: 1.4362, 1.4410, 1.4460, 1.4462, 1.4464, 1.4469, 1.4470,

1.4517, 1.4593

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen die

Fig. 1 und 2 zeigen Querschnitte durch direkt angetriebene Arbeitsmaschinen,

Fig. 3 zeigt eine Arbeitsmaschine mit indirektem Motorantrieb

Fig. 4 bis 6 zeigen verschiedene Luftsperren

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Arbeitsmaschine 1 in Form einer direkt angetriebenen Kreiselpumpe. Diese Arbeitsmaschine ist zur Förderung von chemisch aggressiven Fluiden ausgebildet und hier mit einem Motor 2 in Form eines Spaltrohrmotors ausgestaltet, wobei dessen mit Permanentmagneten 3 versehene Rotor 4 direkt den chemischen Fluiden ausgesetzt ist. Der hier einteilige Rotor 4 besteht aus einem Rotoraktivteil 5 und einer damit verbundenen, direkt angeformten Welle 6, wobei diese Teile aus einem korrosionsbeständigen ferritisch-austenitischen Duplexstahl hergestellt sind. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, einen solchen Rotor 4 aus einem gegossenen oder geschmiedeten Vorformling herzustellen und in span-

abhebender Bearbeitung die Abmessungen von dem Rotoraktivteil 5 und der angeformten Welle 6 und somit der Rotoraußenkontur herzustellen.

Der Rotoraktivteil 5 verfügt über den Umfang verteilt über mehrere Taschen 7, in de- nen jeweils ein oder mehrere Permanentmagnete 3 angeordnet sind. Die Permanentmagnete 3 sind innerhalb der Taschen 7 vor Angriffen durch ein aggressives Fluid geschützt. Die Taschen 7 sind unterhalb der Oberfläche vom Außenumfang in den Rotoraktivteil 5 eingearbeitet.

Fig. 2 zeigt eine andere Ausgestaltung des Rotors 4 von Fig. 1 , wobei innerhalb des einteiligen Rotoraktivteiles 5 zwei Wellenteile 6.1 und 6.2 zur Lagerung desselben befestigt sind. Alle Teile stehen aus dem korrosionsbeständigen ferritisch- austenitischen Duplexstahl. Als weitere Abwandlung zur Fig. 1 ist eine andere Ausbildung der Taschen 7 für eine Aufnahme der Permanentmagnete 3 gezeigt. Aus Gründen einer besseren Erkennbarkeit wurden in der im Schnitt oberen Tasche 7 die Permanentmagnete 3 nicht eingezeichnet. Eine separate, aus einem gleichen korrosionsbeständigen, ferritisch-austenitischen Duplexstahl bestehende, 40 - 60 % Ferrit aufweisende Hülse 8 bildet die Oberfläche des Rotoraktivteiles 5. Die dichte Verbindung einer solchen Hülse 8 mit dem Rotoraktivteil 5 erfolgt durch einfache umlaufen- de Schweiß-, Löt-, Klebe-, Schrumpf- oder andere Dichtverbindungen. Die Taschen 7 zur Aufnahme von Permanentmagneten 3 werden von einem Innendurchmesser der Hülse 8 und von Nuten gebildet, die in die Oberfläche des Rotoaktivteiles 5 eingearbeitet sind.

Die Fig. 3 zeigt eine Arbeitsmaschine, die indirekt von einem Motor 3 in Form eines üblichen Normmotors unter Zwischenschaltung einer mit Permanentmagneten 3 ausgestatteten Magnetkupplung 9 angetrieben wird. Der innere Rotor 10 der Magnetkupplung 9 ist eine weitere Variante des Rotoraufbaues. Das hier mehrteilige Rotoraktivteil 5 ist aus zwei oder mehreren Rotormodulen 5.1 , 5.2 zusammengesetzt, die jeweils aus einem massiven ferritisch-austenitischen Duplexstahl hergestellt sind. Dieses zusammengesetzte Rotoraktivteil 5 ist drehmomentübertragend mit einem Wellenteil 6.3 aus dem gleichen Material verbunden. Mit diesem Wellenteil 6 .3 ist

der Rotoraktivteil 5 innerhalb der Magnetkupplung 9 oder einer entsprechend ausgebildeten Hysteresekupplung drehbar gelagert und gleichzeitig kräfteübertragend mit der Arbeitsmaschine 1 verbunden. Der innere Rotor 10 kann auch analog dem Rotor von Fig. 1 oder 2 aufgebaut sein.

Die Arbeitsmaschine kann hierbei - wie dargestellt - eine Pumpe 1 oder ein Rührer, ein Mischer oder ein sonstiges Gerät sein. Die Rotormodule 5.1 , 5.2 sind formschlüssig miteinander verbunden und die Fügestellen form- und stoffschlüssig abgedichtet. Die Rotormodule 5.1 , 5.2 des mehrteiligen Rotoraktivteiles 5 weisen unterhalb der Rotoroberfläche in axialer Richtung verlaufende Taschen 7 auf, in denen Permanentmagnete 3 fest und flüssigkeitsdicht eingelagert sind. Die Lagerung solcher Permanentmagnete 3 erfolgt mit bekannten Mitteln. Die Abdichtung der Taschen 7 erfolgt durch separate Mittel, um somit einen Zutritt der chemischen Flüssigkeit zu den Permanentmagneten 3 auszuschließen. Die Verbindung zwischen den Abdicht- mittein und Rotoraktivteil 5 oder den Rotormodulen 5.1 , 5.2, muss hierbei gegenüber den jeweiligen chemischen aggressiven Flüssigkeiten beständig ausgebildet sein. Schweißverbindungen haben sich als sehr vorteilhaft erwiesen.

Sind solche Taschen 7 nach Art von Sackbohrungen ausgebildet, welches durch ein- fache spanabhebende Bearbeitung erfolgen kann, so reduziert dies den Einsatz der abdichtenden Mittel und auch den Aufwand zu deren Anordnung.

In der Fig. 4 bis 6 sind als Ausschnitte drei Querschnitte durch Rotoren gezeigt, in denen die Taschen 7 mit darin eingesetzten Permanentmagneten 3 und die Verwen- düng von Flusssperren 11 dargestellt sind. In der Fig. 4 sind die Flusssperren 11 als geschlossene Luftsperren in Form von Schlitzen dargestellt. Die Flusssperren befinden sich hier unterhalb der Rotoroberfläche. Eine andere Ausführungsform zeigt die Fig. 5, bei der die Flusssperren 11 als geschlitzte offene Luftsperren in die Oberfläche des Rotoraktivteiles 5 eingebaut sind. Und Fig. 6 zeigt eine Form von runden, gebohrten Luftsperren 11. Hier findet auch eine andere Form von Permanentmagneten 7 Anwendung. Diese sind quaderförmig ausgebildet und nebeneinander angeordnet.