DE2548798B2 - Magnetische antriebsvorrichtung fuer die beruehrungslose uebertragung eines drehmomentes bzw. einer in ihrer richtung wechselnden laengskraft durch eine gas- und fluessigkeitsdichte trennwand hindurch - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine magnetische Antriebsvorrichtung für die berührungslose Übertragung eines Drehmomentes bzw. einer in ihrer Richtung wechselnden Längskraft durch eine gas- und flüssigkeitsdichte Trennwand hindurch, die aus einem nicht magnetisierbaren, einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand aufweisenden Material besteht und eine öffnung eines ein unter erhöhtem Druck und/oder hoher Temperatur stehendes, gegebenenfalls korrosives Medium enthaltenden Behälters verschließt, wobei magnetisierbare, mit der Trennwand und dem Behälter fest verbundene Teile des Vorrichtungsgehäuses einen ortsfesten Abschnitt eines torusförmigen magnetischen Kreises bilden, der über eine mit Gleichstrom oder gleichgerichtetem Strom gespeiste Spule oder durch Permanentmagnete erregt wird und dessn rotationssymmetrischer, koaxial zum magnetisierbaren Torus stehender Luftspalt durch die in seinem Bereich als Rotationskörper ausgebildete Trennwand in zwei Teilluftspalte unterteilt wird, in denen je ein am treibenden bzw. am getriebenen Läufer der Vorrichtung befestigter, koaxialer, zahnradföi miger Polring aus magnetisierbarem Material beweglich geführt ist, dessen Pole, in gleicher Anzahl für die beiden Läufer, auf die Trennwand und den dahinter befindlichen Polring des Gegenläufers hin gerichtet sind, derart, daß der magnetische Kreis über seinen ortsfesten und einen von den beiden Polringen gebildeten, beweglichen Abschnitt, durch die Trennwand hindurch, geschlossen ist.

Es sind bereits magnetische oder elektromagnetische Koppler für die sychrone oder asynchrone Übertragung eines Drehmomentes bekannt, die aus einem magnetischen Kreis und zwei über ein magnetisches Feld miteinander gekoppelter Rotoren bestehen, wobei der eine Rotor mit einer treibenden, der andere mit einer getriebenen Welle verbunden sind. Die Kopplung der beiden Rotoren erfolgt durch ein magnetisches Drehfeld, das im magnetischen Kreis durch eine von einem Gleichstrom oder einem gleichgerichteten Strom durchflossene, ortsfeste Erregerspule oder durch Permanentmagnete induziert wird, beispielsweise gemäß FR-PS 10 95 374.

Es sind ferner Vorrichtungen bekannt, bei denen zwei ebenfalls magnetisch aneinander gekoppelte Läufer

;ine wechselweise Translationsbewegung ausführen, 5twa nach der in der FR-PS 15 39 089 beschriebenen Art.

Falls die beiden Medien, in denen sich das treibende bzw. das getriebene Organ befinden und bewegt werden, strikte voneinander getrenni bleiben müssen, wird der zwischen den beiden Organen bestehende Luftspalt durch eine druckdichte Trennwand unterteilt, welche die den beiden Medien zugeteilten Bereiche gegeneinander abgrenzt. Eine solche, bei der Anmeldung vorausgesetzte Vorrichtung ist beispielsweise in der FR-PS 15 39 090 beschrieben.

In einem solchen Falle wäre es wünschbar, die erwähnte Trennwand aus einem nicht magnetisierbaren, elektrisch isolierenden Material auszuführen. Dadurch würde jegliche, durch die Trennwand bedingte Beeinflussung der Verteilung des magnetischen Feldes im Luftspalt vermieden und es könnten sich in ihr im Gefolge des sie durchdringenden ouer über sie wegstreichenden, das treibende mit dem getriebenen Element koppelnden magnetischen Flusses keinerlei Wirbelströme ausbilden.

Die heute bekannten, nicht metallischen Werkstoffe, die dieser Bedingung entsprechen würden, sind jedoch nicht in der Lage, extremen mechanischen oder thermischen Belastungen zu widerstehen, wie sie beispielweise in chemischen oder nuklearen Reaktoren auftreten, wo mit Temperaturen in der Größenordnung von 200 bis 400⁰C und Drücken von 100 bar oder mehr gerechnet werden muß.

Die Trennwand könnte an sich auch aus einem nicht magnetisierbaren Metall bestehen, dessen elektrischer spezifischer Widerstand möglichst hohe Werte annehmen müßte und dessen mechanische Eigenschaften den genannten Bedingungen entsprechen würden.

Ist die Druckdifferenz zwischen den beiden in Betracht fallenden Medien, in denen sich das treibende bzw. das getriebene Organ befinden, sehr groß, so muß die Dicke einer nach den bekannten Ausführungsformen ausgeführten metallischen Trennwand so groß gewählt werden, daß die darin auftretenden Wirbelströmt — sie nehmen ungefähr mit dem Quadrat der Winddicke zu — sehr große Werte annehmen würden, so Jaß der Wirkungsgrad der magnetischen Übertragung dadurch äußerst ungünstig beeinflußt wäre und eine erhebliche, ja unzulässige Erwärmung der Trennwand nicht vermieden werden könnte.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und eine druckdichte magnetische Antriebsvorrichtung zu schaffen, die es erlaubt, berührungslos durch eine Trennwand hindurch eine in einem mit einem unter hohem Druck und bei erhöhter Temperatur stehenden Medium gefüllten Behälter befindliche Maschine zu betätigen, wobei die Kraftübertragung je nach den gegebenen Umständen entweder in Form eines Drehmomentes oder einer abwechselnd vor- und rückwärts wirkenden Zugkraft verwirklicht wird.

Insbesondere ist die Trennwand so zu gestalten, daß sie aus einem metallischen, annehmbare mechanische und elektrische Eigenschaften aufweisenden Werkstoff geformt werden kann und daß die sich darin ausbildenden Wirbelströme, bei einer gegebenen Dichte des den Luftspalt durchdringenden magnetischen Feldes und einer ebenfalls vorgegebenen Relativgeschwindigkeit zwischen den magnetischen Polen und der Trennwand, wesentlich verringert werden, ohne Einbuße an mechanischer Festigkeit gegenüber einer vollwandigen Trennwand gleicher Dicke.

Die diese Aufgabe lösende Erfindung besteht bei der eingangs vorausgesetzten Vorrichtung darin, daß die Trennwand in ihrem zwischen den gegenüberliegenden Polringen befindlichen Bereich Aussparungen aufweist, in die nicht magnetisierbar, elektrisch nicht leitende bzw. isolierte draht-, litzen- oder kabelartige Verstärkungselemente hoher Zugfestigkeit unter mechanischer Vorspannung eingelegt sind, wobei die Tiefe der Aussparungen gegenüber den zwischen ihnen verbleibenden Stegen geringer ist als die Dicke der übrigen Trennwand.

Der aus der DT-OS 23 05 907 bekannt gewordene magnetische Koppler besitzt eine druckfeste Trennwand mit innen und außen glatter Oberfläche. Diese Wand besteht aus einem gitterförmigen, käfigartigen Gerüst aus magnetisierbaren, hochpermeablen Lamellen oder Stäben, die an ihrem einen Ende elektrisch leitend miteinander verbunden und geerdet sind, um jede elektrostatische Aufladung dieses Gebildes auszuschalten, die im übrigen jedoch, beispielsweise durch Einbetten in einen aushärtenden Kunststoff od. dgl., gegeneinander isoliert sind, um das Auftreten von Wirbelstromschlaufen zu vermeiden. Die magnetischen Elemente und die sie umschließende Isoliermasse sind druckdicht miteinander verklebt. Die Lamellen oder Stäbe bilden dabei ebensoviele magnetische Brücken, über die der magnetische Fluß die Trennwand durchdringt. Damit wird die Reluktanz des magnetischen Kreises und insbesondere des Luftspaltes zwischen den Rotorpolen erheblich verringert, und es treten im Inneren der Trennwand nur kleine, vernachlässigbare Wirbelstromverluste auf.

Um die mechanische Festigkeit dieser in ihrer Struktur komplexen Trennwand zu erhöhen, wird vorgeschlagen, die letztere durch eine dünne, nicht magnetisierbar Faserschicht von der Art eines Glasgewebas, einer Schicht von Borkarbidfasern od. dgl. zu verstärken, die wenn nötig mit einem geeigneten, aushärtenden Lack oder Kunststoff imprägniert sein können. Die Trennwand kann ferner mindestens einseitig mit einer gas- und flüssigkeitsdichten, nicht magnetisierbaren Schicht abgedichtet sein. Von einer Vorspannung der verstärkenden und/oder abdichtenden Schicht ist nicht die Rede.

Ein derartiger Aufbau der Trennwand ist aber offensichtlich den der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden Bedingungen hinsichtlich der mechanischen und/oder thermischen Belastungen der Größenordnungen 200 - 400°C und 100 bar oder mehr nicht gewachsen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die Aussparungen an der Außenseite der Trennwand angebracht und in Form von in Umfangsrichtung ring- bzw. schraubenförmig mit geringer Steigung verlaufenden Rillen ausgebildet sein. Bei dieser Anordnung werden die mechanisch vorgespannten Verstärkungselemente vorteilhafterweise in die ring- bzw. schraubenförmig in Umfangsrichtung verlaufenden Rillen eingelegt und derart bemessen, daß sie mindestens dieselbe Zugfestigkeit aufweisen, wie das beim Anbringen der Rillen entfernte Material der Trennwand.

Nach einer weiteren Ausführungsform können die Aussparungen aber auch an der Außenseite der Trennwand angebracht und in Form von in axialer Richtung verlaufenden Rillen ausgebildet sein. Ist dies der Fall, so werden die mechanisch vorgespannten

Verstärkungselemente in den in axialer Richtung verlaufenden Rillen bzw. Bohrungen derart bemessen, daß sie mindestens dieselbe Zugfestigkeit aufweisen, wie das beim Anbringen der Rillen bzw. Bohrungen entfernte Material der Trennwand.

Die Aussparungen können ferner, entsprechend einer weiteren Variante der Erfindung, in Form von in Reihen oder versetzt angeordneten, wabenförmigen Vertiefungen an mindestens einer der Oberflächen der Trennwand ausgebildet sein, wobei die ring- oder schraubenförmig um die Außenfläche der Trennwand gelegten Verstärkungselemente an den Oberkanten der zwischen den Waben verbleibenden Stege abgestützt sind. Die mechanisch vorgespannten Verstärkungselemente sind hier auf der Außenseite der Trennwand aufgewickelt und auf die Oberkanten der zwischen den Rillen bzw. den wabenförmigen Vertiefungen verbleibenden Stege abgestützt.

Die Aussparungen brauchen jedoch nicht in jedem Falle an der Außen- oder Innenoberfläche der Trennwand angebracht zu sein. Nach einer in vielen Fällen besonders günstigen Ausführungsform können die Aussparungen nämlich auch in Form von in axialer Richtung in der Dicke der Trennwand verlaufenden Bohrungen ausgebildet sein. In diese können, ähnlich wie im Falle der axial gerichteten Rillen, zugankerförmige Verstärkungselemente eingezogen sein. Diese Ausführungsart hat zudem den Vorteil, daß die Bohrungen in an sich bekannter Weise, wenigstens zum Teil, von einem Kühlmedium durchflossen und gegen unzulässig hohe Temperaturen geschützt ausgebildet sein können.

Die verschiedenen, oben beschriebenen Formen der Aussparungen in der Trennwand dienen alle dem gleichen Zweck, nämlich, durch eine wesentliche Verminderung der in Frage kommenden Querschnitte der Trennwand die Ausbildung von Wirbelströmen und damit unerwünschte Leistungsverluste erheblich einzuschränken, wobei die durch den beim Anbringen von Rillen oder Bohrungen vorgenommenen Materialabtrag bedingte Abnahme der mechanischen Festigkeit durch den Auftrag oder den Einbau von elektrisch nicht leitenden, mechanisch vorgespannten, zugankerartigcn Verstärkungselementen wettgemacht wird.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung in verschiedenen AusfUhrungsformcn beispielsweise dargestellt.

F i g. 1 zeigt in vereinfachter, schematischer Form einen axialen Längsschnitt einer crfindungsgcmilßcn Antriebsvorrichtung mit druckdichter Trennwand, zur Übertragung eines Drehmomentes, mit in Umfangsrich· tung verstärkter Trennwand.

F i g. 2 ist ein entsprechender Teilquerschnitt gemäß II/HinFig.1.

Die Fig.3 und 4 erläutern, in Form, von in vergrößertem Maßstab dargestellten Teilquerschnitten, den Aufbau einer erfindungsgemäßen Trennwand mit verschiedenen Rillenquerschnitten und In die Rillen eingezogenen Verstärkungselementen sowie dazugehörige Isolationsschichten.

Die F i g. 5 und 6 stellen eine weitere Ausführungsform der Trennwand dar, ähnlich derjenigen in F i g. 1 und 2, jedoch sowohl mit in Umfangsrlchtung als auch in axialer Richtung geführten Rillen bzw. Bohrungen und darin eingelegten, vorgespannten Verstärkungselementen.

Die F i g. 7 und 8 sowie 9a, b und c zeigen Ausschnitte von erfindungsgemäßen Trennwänden, deren Aussparungen als wabenartige, in ihre Außenfläche eingelasse ne Vertiefungen verschiedener Form und Anordnung ausgebildet sind.

F i g. 10 und 11 stellen Teilquerschnitte einer anderen Ausführungsform der Trennwand dar, bei der die Aussparungen aus in axialer Richtung in der Dicke der Trennwand angebrachten Bohrungen mit rundem bzw. rechteckigem Querschnitt bestehen.

F i g. 12 ist wieder eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Bahnen der sich unter dem Einfluß des

ίο zwischen den Polringen herrschenden magnetischen Feldes in einer gegenüber den Polringen bewegten glatten, vollwandigen Trennwand ausbildenden Wirbelströme, sowie der Wirkungsweise von in eine solche Trennwand eingeschnittenen Rillen.

Fig. 13 ist ein vereinfachter Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung zur Übertragung einer wechselweise in Längsrichtung wirkenden Zugkraft. Fig. 14 stellt in vereinfachter Form einen Längs schnitt durch eine halbkugelförmige, nach der Erfindung aufgebaute Trennwand dar, die an ihrer Außenseite sich überkreuzende, in Umfangsrichtung und in axial/radialer Richtung verlaufende Rillen und darin eingelegte, vorgespannte Verstärkungselemente aufweist.

F i g. 15 ist ein Teillängsschnitt aus einer zylindrischen Trennwand, die an ihrer Außenseite wabenförmige Aussparungen von der in F i g. 7 bis 9c gezeigten Art aufweist und eine einlagige Wicklung von im wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufenden vorgespannten Verstärkungselementen trägt, die auf den oberen Kanten der zwischen den Aussparungen verbleibenden Stege abgestützt sind, und

Fig. 16 ein Teillängschnitt einer ähnlichen Trennwand wie diejenige der Fig. 15, auf deren Außenseite statt der wabenartigen Vertiefungen in axialer Richtung verlaufende Rillen angebracht sind, wobei die zwischen den Rillen verbleibenden Stege eine Lage von in Umfangsrichtung um die Trennwand gewickelten Windungen eines oder mehrerer parallel nebeneinander angeordneter Verstärkungselemcntc tragen.

In den verschiedenen Figuren sind analoge oder entsprechende Teile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. In der in F i g. 1 und 2 dargestellten Form einer

4$ erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung hat deren als Ganzes mit 1 bzeichnete Trennwand die Form eines topfähnlichen Rotationskörpers mit flachem Boden und zylindrischen Scitenwänden, deren Rotationsachse mil λ — A angedeutet ist. Die zylindrische Seitenwand der

so Trennwand hat die Dicke / und ist an ihrem rechten vom flachen Boden abgekehrten Ende durch eine Verdickung 2 verstärkt, die in einem Befestigungs flansch 3 endet. Dieser schließt mit Hilfe vor Dichtungsringen 4 eine öffnung S des Behälters (

ss druckdicht ab, in dem ein unter überdruck stehendes gegebenenfalls eine hohe Temperatur aufweisende! Medium eingeschlossen ist. Dieses Medium erfüllt auct das Innere der Trennwand 1, in dem der Innere Läufei oder Rotor Ta — normalerweise Ist es der getrieben«

Ao Läufer — ebenfalls um die Achse A — A drehbai geführt ist. Dieser Rotor Ta trägt einen zahnradförmi gen Polring Tb, dessen Pole gegen die glatte Innenseite I des zylindrischen Teils der Trennwand 1 hin gerichte sind. Auch der äußere - meistens ist es der treibende -

<>s Läufer oder Rotor 9a trägt einen Polring 9b, dessen PoIi jedoch nach Innen, gegen die zylindrische Außenseite Ii der Trennwand 1 hin gerichtet sind und dei eben Γ "<· mi die Achse A-A drehbar gelagert ist. Die bcidei

Polringe 76 und 96 liegen sich somit gegenüber, sind aber durch die Wand 1 voneinander getrennt. Die Außenseite 10 des zylindrischen Teiles der Trennwand 1 weist in ihrem zwischen den Rotoren 7a und 9a liegenden Bereich in Umfangsrichtung verlaufende Rillen 11 von einer Tiefe / auf, in die drahtförmige, elektrisch isolierte und/oder selber nichtleitende Verstärkungselemente 12 unter mechanischer Vorspannung eingelegt sind, deren Aufbau im Folgenden noch näher beschrieben wird.

Die Art der Lagerung und der Antriebe der beiden Rotoren 7a und 9a ist in der Zeichnung nicht näher dargestellt, da dieser Teil der Antriebsvorrichtung den Gegenstand der vorliegenden Erfindung nicht weiter berührt; das gleiche gilt für den ortsfesten Teil des magnetischen Kreises sowie für diejenigen Teile der Vorrichtung, in denen der die beiden Rotoren koppelnde magnetische Fluß induziert und geführt wird. Es sind hier lediglich die beiden ringförmigen, glatten Pole N und S angedeutet, zwischen denen der Luftspalt des ortsfesten Teiles des magnetischen Kreises liegt, der durch die Trennwand 1 in zwei Teilluftspalte unterteilt wird, wobei der eine — beispielsweise der getriebene — Rotor 7a und sein Polring 7b in dem im inneren der Trennwand 1 liegenden, der andere — normalerweise der treibende — Rotor 9a und der Polring 9b in dem außerhalb des Behälters befindlichen Teilluftspalt von dem von einem (N) zum anderen Pol (S) verlaufenden magnetischen Fluß durchdrungen und in an sich bekannter Weise mit entgegengesetzter Polarität magnetisiert werden, so daß sie durch die Trennwand hindurch miteinander gekoppelt werden. Eine derartige Vorrichtung zeigt beispielsweise die bereits genannte FR-PS 15 39 090.

Die Wirkungsweise der in der F i g. 1 und 2 gezeigten Vorrichtung ist die folgende:

Solange im magnetischen Kreis der Antriebsvorrichtung ein magnetischer Fluß induziert wird, tritt dieser aus der glatten, zylindrischen Innenwand des äußeren Poles N in die glatte, konzentrisch dazu verlaufende äußere Zylinderfläche des Rotors 9a über, tritt aus der inneren Polfläche der Pole 9b aus, durchdringt die Trennwand 1 und erreicht die äußeren Polflöchen des inneren Polringes 7b, um über die glatte, innere Bohrung des Rotors 7a in dem Pol 5, d. h. wieder in den ortsfesten Teil des magnetischen Kreises überzutreten, der auf diese Weise - über die obenerwähnten Teilluftspalte und die Polringe 7a, b, 9a, b torusförmig in sich geschlossen ist.

Infolge der zwischen den Polen der beiden Polringe 7a, b, 9a, b auftretenden magnetischen Anziehungskraft stellen sich die beiden Polringe aufeinander so ein, daß ihre Pole jeweils gegenüberliegen und der Hauptteil des Flusses im Bereich der Pole 7b, 9b die Trennwand 1 senkrecht, d. h. In radialer Richtung, durchdringt.

Auch diejenigen Bereiche der Trennwand 1, die jeweils den zwischen den Polen 7b, 9b befindlichen Aussparungen 7c, 9p der beiden Polringe gegenüberliegen, werden durch einen senkrecht zur Trennwand 1 stehenden Streufluß durchdrungen, der jedoch in Anbetracht des an dieser Stelle vergrößerten Luftspaltes bedeutend geringer ist als der im Bereich der Pole 76, 9b bestehende Fluß. In erster Annäherung kann dieser Streufluß vernachlässigt werden.

Drehen sich die beiden Rotoren 7a, 9a gegenüber der ortsfesten Trennwand 1, so wird letztere in an sich bekannter Weise von einem Drehfeld durchdrungen, da die Bereiche mit stärkerem und schwächerem Fluß, entsprechend den Polen 76,96 und den Pollücken 7c, 9c ebenfalls mit einer Relativgeschwindigkeit V über die Trennwand 1 hinweg mitgedreht werden.

Weist die Trennwand 1 eine gewisse elektrische S Leitfähigkeit auf, wie dies beispielsweise bei einer metallischen Trennwand der Fall ist, so treten im Inneren derselben wegen der sich ändernden Flußdichte Wirbelströme (sogenannte Foucault-Ströme) auf, deren Stromstärke zur Änderung der magnetischen Flußdich te und zur Relativgeschwindigkeit V weitgehend proportional ist.

Aus der Fig. 12 ist der ungefähre Verlauf der schlaufenförmigen Stromlinien W der Wirbelströme ersichtlich, welche sich in einer glatten, homogenen Trennwand 1 ausbilden würden, die mit einer Geschwindigkeit V von links nach rechts zwischen den Polen 76, 96 hindurch gezogen wird (siehe Revue Generale de !'Electricity, Bd 80, No. 1, Januar 1971, S. 34). Die schraffierten Rechtecke a, b, c usw. deuten die Projektion der sich beidseits der Wand gegenüberstehenden Pole 76,96 auf die bewegte Trennwand 1 an. In diesen Bereichen ist der die Trennwand 1 senkrecht durchdringende Fluß am stärksten. Demgegenüber werden die dazwischen liegenden, mit 9c — 7c bezeichneten Bereiche im wesentlichen nur von einem geringen Streufluß durchdrungen. Es ist bekannt, daß die Wirbelströme ihrerseits ein magnetisches Feld induzieren, das der Änderung der ursprünglichen Feldstärke entgegenwirkt, d. h. daß eine der Relativbe wegung zwischen den Polringen 76, 96 und der Trennwand 1 entgegengerichtete Kraft auftritt. Da die Trennwand in den erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtungen ortsfest stehen bleibt, stellt diese Gegenkraft eine auf die Polringe wirkend« unerwünschte, der Wirkungsgrad der Antriebsvorrichtung beeinträchtigende Bremskraft dar.

Um die Bildung von Wirbelströmen zu begrenzen wird die für ihre Stärke maßgebende Dicke dei Trennwand 1 wesentlich verringert, indem beispielswei und/oder in axialer Richtung 116 - bezogen auf die Relativgeschwindigkeit V zwischen den Polen 76, 9b und der Trennwand 1 — mit einer Tiefe f Rillen angebracht sind, die die Ausbildung der Wirbelstromschlaufen W und damit deren Stromstärke wenigstens im Bereich dieser Rillen erheblich einschränken. Dadurch wird die Joule'sche Verlustenergie, ähnlich wie dies von der Technik der elektrischen Maschinen her bekannt ist, in denen der magnetische Kreis aus gegeneinander isolierten Blechen aufgebaut und ebenso falls von pulsierenden Magnetflüssen durchströmt wird (Motoren, Generatoren, Umformer, Transformatoren, Drosselspulen usw.), erheblich verringert. Durch das Anbringen geeignet geformter, die Dicke J der Trennwand 1 verkleinernder Rillen oder anderer

S3 Aussparungen ist es also möglich, den Gesamtwirkungsgrad einer durch die Trennwand 1 hindurch wirkenden magnetischen Antriebsvorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung zwischen dem treibender, und dem getriebenen Läufer zu verbessern.

βο Zu diesem Zweck werden an der Trennwand 1 gemäß der Erfindung, vorzugsweise an ihrer Außenseite 10, In Umfangsrichtung oder schraubenförmig mit geringer Steigung, parallelwandlge Rillen von der Tiefe / angebracht, deren Boden entweder abgerundet (HaJ

f'i oder flach (HcJ ausgebildet ist (FIg.3 bzw. 4). Die Trennwand 1 Ist somit mit einer Immer noch druckdichten Scheidewand von reduzierter Dicke e zu vergleichen, die durch feste, ringförmige Rippen oder

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Stege 13 mechanisch verstärkt ist und deren Festigkeit gegenüber derjenigen einer vollwandigen, zylindrischen Trennwand gleicher Dicke / zwar merklich, aber noch nicht entscheidend abgenommen hat.

Die durch die Drehung der Pole hervorgerufenen Wirbelströme können sich nunmehr nur noch in der verbleibenden dünnen Scheidewand e voll ausbilden, während sie im Bereich /der Rillen, d. h. in den Rippen oder Stegen 13, in ihrer Entwicklung stark gehemmt werden.

Um die durch das Anbringen von Aussparungen bedingte Abnahme der mechanischen Festigkeit auszugleichen, werden gemäß der vorliegenden Erfindung in die rillenförmigen Aussparungen 11a, 116 oder Hc unter Vorspannung draht-, litzen- oder kabelartige, nicht magnetisierbare, elektrisch nicht leitende oder zum mindestens isolierte (schichtfö. mige Isolationen 15a, 15c) Verstärkungselemente 12, 14, 19(Fig.3 — 6) hoher mechanischer Zugfestigkeit eingelegt und an ihrem Ende in der Trennwand 1 verankert (18, 20). Für die Verstärkungselemente können beispielsweise Tantal- oder Chromnickel-Legierungen verwendet werden, ferner Materialien, die eine entsprechende kristalline, fiberartige Struktur aufweisen (sogenannte »Whiskers«), die ebenfalls den vorgesehenen Betriebstemperaturen standzuhalten vermögen. Die in Umfangsrichtung verlaufenden ringförmigen (12) oder schraubenartig gewickelten (14) Verstärkungselemente üben auf die Trennwand 1 eine radial nach innen gerichtete Kraft aus. Bei geeigneter Bemessung, gestützt auf die an sich bekannte Vorspanntechnik, ist es ohne weiteres möglich, den Verstärkungselementen mindestens diejenige Zugfestigkeit zu verleihen, die sie benötigen, um die durch das Anbringen der Rillen oder anderen Aussparungen bedingte Schwächung der Trennwand 1 auszugleichen. Wie aus den Fig. 1,3 oder 5 ersichtlich, können in den Rillen mehrere Lagen entsprechend isolierter (15a^ draht-oder kabelartiger Verstärkungselemente vorgesehen sein.

Die Isolierschichten 15a, 15cdienen dazu, gegebenenfalls die Bildung von Kurzschlüssen zwischen einem elektrisch leitenden Verstärkungselement und den Seitenwänden der Rillen und damit das Auftreten von ungewollten Wirbelströmen in geschlossenen Schlaufen zu vermeiden.

Statt übereinanderliegenden Windungen 12 mit beispielsweise rundem Querschnitt können auch Vcr-Stärkungselemente mit beliebigem beispielsweise rechteckigem Querschnitt 17 vorgesehen sein, die eine bessere Ausnützung des Rillenquerschnittes erlauben, wobei die Isolation vorteilhafterweise als U-förmlge. die Rille Ua, b oder c auskleidende Schicht oder als Röhrchen zwischen die Verstärkung 17 und die Trennwand 1 eingelegt wird (F I g. A). Für das Isoliermaterial haban sich Glasgewebe, Email oder ähnliche temperaturbeständige Materialien bewährt. Die Enden der Verstärkungselemente 12,14, 17 oder 19 können nach einem der bekannten Verfahren etwa durch Schweißen, Löten, Biegen, Drüoken oder Klemmen an der Trennwand 1 befestigt werden, wie dies in Flg. 1,5 oder 12 bei 18 bzw. 20 angedeutet ist. Dabei muß lediglich darauf geachtet werden, daß auch hler keine in sich geschlossenen, elektrisch leitenden Schlaufan auftreten können.

Wenn Im Inneren des Behälters β im Betriebszustand eine höhere Temperatur herrschen soll, als außerhalb desselben, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, für die Verstärkungselemente 12, 14 ein Material zu wählen, dessen Wärmeausdehnungszahl ungefährt gleich groß ist, wie diejenige des Materials der Trennwand 1. Infolge des Temperaturgefälles dehnt sich das Innere der Trennwand (bei 8) stärker aus, als die außen

S angebrachten Verstärkungswindungen, so daß die Vorspannung der Windungen in einer Art Schrumpfwirkung verstärkt wird.

Die in den F i g. 5 und 6 gezeigte Ausführungsform ist eine Variante der erfindungsgemäßen Trennwand 1.

to Hier weist die Außenseite 10 eine Anzahl von axialen Längsrillen 11 b auf, in die zunächst je ein ähnlich wie für die Verstärkungselemente 12, 14 in Fig. 1 bis 4 ausgebildetes Spannkabel 19 eingelegt wurde. Dieses wird durch in der Verlängerung der Längsrille 116 angeordnete Bohrungen 24 eingeführt und bei 20 unter Vorspannung in der Trennwand verankert. Dadurch wird die auf den zylindrischen Teil der Trennwand 1 infolge des Innendrucks im Behälter 6 in axialer Richtung wirkende Zugbelastung aufgefangen. Auch hier sind die Spannkabel 19 so bemessen, daß sie die durch das Anbringen der Rillen Ha, 116 verursachte Festigkeitsabnahme ausgleichen.

Zusätzlich zu den Längsrillen 116 sind an der Außenseite 10 der Trennwand 1 ring- oder schrauben förmige Rillen 11a, (Herangebracht, in die wie bei der Ausführung nach Fig. 1, 2 unter Vorspannung entsprechende Verstärkungselemente 12 oder 14 eingewickelt werden, die gegenüber den längsverlaufenden Verstärkungen 19 isoliert sind (15.4 auf denen sie sich abstützen und die sie auf den Grund ihrer Rillen Ub pressen. Eine derat aufgebaute Trennwand 1 kann für höhere Innendrücke ausgelegt werden, als dies für die Ausführung nach Fig. 1, 2 möglich ist, die in Längsrichtung keine Verstärkungen aufweist. Abgese-

hen vom Aufbau der Trennwand 1 sind die beiden Ausführungsformen der Antriebsvorrichtung gemäß F i g. 1.2 und gemflß F i g, 5,6 völlig gleich ausgeführt.

Die sich in einer glatten Trennwand mit gleichbleibender Dicke J ausbildenden Wirbelströme können ferner auch dadurch geschwächt werden, daß (Fig. 7-9c) an der Innen· (8) und/oder der Außenseite (10) der Trennwand wabenförmige Aussparungen oder Vertiefungen 21 angebracht werden, deren Gesamttiefe /(d. h. bei beidseitiger Anordnung je i/7) betrag;, wobei

deren Form je nach dem dafür benutzten Herstellungsverfahren verschieden gewählt werden kann. Die zwischen den Vertiefungen verbleibenden Stege 22, 23 haben die gleiche Wirkung wie diejenigen (13) zwischen benachbarten Rillen Wa. b oder c in Fig. 1 bis 6 und

bilden an sich im Bereich / eine Art Verstärkung der dünnen Scheidewände.

So reigen beispielsweise die Fig.7 und 8 längliche Vertiefungen 21, die in Reihen (Fig.7) oder in axialer Richtung gegeneinander versetzt (Fig.8) angeordnet

SS sind. In ähnlicher Weise sind in den FIg.9a und 9c kreisrunde Vertiefungen 2t gezeigt, die leichter zu bearbeiten sind und die Festigkeit der Trennwand 1 weniger beeinträchtigen als die erstgenannten (Fig.7 und 8). Fig.9b zeigt einen Teilquerschnitt durch eine

«0 derartige Trennwand, gemäß IX/IX in F i g. 9a.

Weitere Ausfuhrungsvarianten der erfindungsgemäßen Trennwand sind aus den F i g. IO und 11 ersichtlich. Hier wird die Querschnittsverringerung der Trennwand 1 durch In ihrer Dicke angebracht, in axialer Richtung

6s verlaufende Bohrungen 24 bzw. 25 erzielt, die weder auf der Innen- (8) noch auf der Außenseite 10 der Trennwand 1 sichtbar sind. Auch hler werden ähnlich der schon In F1 g. 5 angedeuteten Ausfuhrungsart durch

eine Isolierschicht 15a geschützte, unter Vorspannung stehende Verstärkungselemente oder Spannkabel 19 eingebaut, ohne daß sie aber durch eine darüber liegende Wicklung festgehalten werden müssen. Aus F i g. 11 ist eine Variante ersichtlich, bei der die Bohrungen einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Hier wie auch in der Ausführung nach Fig. 10 können die Bohrungen gleichzeitig dazu bentutz werden, ein Kühlmedium — oder einen Wärmeträger — durchfließen zu lassen, wie dies beispielsweise bei Wärmeaustauschern üblich ist.

Fig. 13 zeigt schließlich ein weiteres Anwendungsbeispiel einer gemäß der Erfindung aufgebauten, druckdichten Trennwand, in einer Antriebsvorrichtung für die berührungslose Übertragung einer in Längsrichtung wirkenden, gegebenenfalls periodisch umkehrbaren Zugkraft, wie sie etwa in einem Rührwerk für chemische Reaktoren verwendet und in der bereits erwähnten FR-PS 15 39 089 beschrieben sind. Die einzelnen Teile sind dabei, soweit sie analoge Funktionen ausüben, wie sie bereits anhand der F i g. 1 bis 6 beschrieben wurden, mit den gleichen Bezugszeichen versehen, wie diese. Der vereinfacht dargestellte, ringförmige oder zylindrische, treibende Läufer 26a besteht aus magnetisierbarem Material und weist magnetische Pole Nund Sauf. Er ist in axialer Richtung bewegbar und zieht in an sich bekannter Weise einen im Inneren der Trennwand 1 befindlichen Anker oder getriebenen Läufer 27a mit, mit dem er durch einen magnetischen Fluß verkoppelt ist, der mit Hilfe einer über die Anschlüsse 29 mit Gleichstrom oder gleichgerichtetem Strom gespeiste, auf dem treibenden Läufer 26a angebrachte Erregerspule 28 induziert wird. Die Trennwand 1 weist einen zylindrischen Querschnitt auf, um den Druck des von ihr umschlossenen Mediums besser aufnehmen zu können. An ihrer Außenseite 10 sind schraubenförmige Rillen Ua angebracht, in die unter Vorspannung Verstärkungselemente 14 eingelegt sind, wie dies schon für F i g. 1 beschrieben wurde.

Wenn es sich um höhere Drücke handelt, etwa in der Größenordnung von 200 bar und mehr, ist es vorteilhaft, eine halbkugelförmige Trennwand la vorzusehen, wie sie beispielsweise in der F i g. 14 angedeutet ist. Sie trägt auf ihrer Außenseite 10 in Umfangsrichtung oder schraubenförmig verlaufenden Rillen Ha und in die Rillen eingelegte Verstärkungselemente 14 sowie zusätzlich dazu axial und radial verlaufende Rillen lift mit Verstärkungselementen 19, die sich unter Vorspannung auf den Elementen 14 abstützen, ähnlich der in Fig.5 und 6 gezeigten Anordnung, jedoch mit in umgekehrter Reihenfolge eingetragenen ringförmigen und axial/radial verlaufenden Verstärkungen.

Die Fig. 15 und 16 zeigen weitere Ausführungsvarianten der Erfindung, die einige Ähnlichkeit mit denjenigen von Fig.5 aufweisen. Die Trennwand 1 besitzt hier jedoch auf ihrer Außenseite 10 angebrachte, wabenförmige Aussparungen 21 (Fig. 15) oder Längsrillen 116 (Fig. 16) und wird durch eine einlagige Wicklung, die ohne eigene Rillen direkt auf die zwischen den Aussparungen 21 bzw. 116 verbleibenden Stege 22, 23 aufgebracht ist, verstärkt.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Magnetische Antriebsvorrichtung für die berührungslose Übertragung eines Drehmomentes bzw. einer in ihrer Richtung wechselnden Längskraft durch eine gas- und flüssigkeitsdichte Trennwand hindurch, die aus einem nicht magnetisierbarer einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand aufweisenden Material besteht und eine öffnung eines ein unter erhöhtem Druck und/oder hoher Temperatur stehendes, gegebenenfalls korrosives Medium enthaltenden Behälters verschließt, wobei magnetisierbare, mit der Trennwand und dem Behälter fest verbundene Teile des Vorrichtungsgehäuses einen ortsfesten Abschnitt eines torusförmigen magnetischen Kreises bilden, der über eine mit Gleichstrom oder gleichgerichtetem Strom gespeiste Spule oder durch Permanentmagnete erregt wird und dessen rotationssymmetrischer, koaxial zum magnetisierbaren Torus stehender Luftspalt durch die in seinem Bereich als Rotationskörper ausgebildete Trennwand in zwei Teilluftspalte unterteilt wird, in denen je ein am treibenden bzw. am getriebenen Läufer der Vorrichtung befestigter, koaxialer, zahnradförmiger Polring aus magnetisierbarem Material beweglich geführt ist, dessen Pole, in gleicher Anzahl für die beiden Läufer, auf die Trennwand und den dahinter befindlichen Polring des Gegenläufers hin gerichtet sind, derart, daß der magnetische Kreis über seinen ortsfesten und einen von den beiden Polringen gebildeten beweglichen Abschnitt, durch die Trennwand hindurch, geschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (1) in ihrem zwischen den gegenüberlie genden Polringen (7a, 7b; 9a, 9b) befindlichen Bereich Aussparungen (11, Ua, 11Z>, lic, 21, 24, 25) aufweist, in die nicht magnetisierbare, elektrisch nicht leitende bzw. isolierte (15a, IScJl draht-, litzen- oder kabelartige Verstärkungselemente (12, 14, 17, 19) hoher Zugfestigkeit unter mechanischer Vorspannung eingelegt sind, wobei die Tiefe (f) der Aussparungen gegenüber den zwischen ihnen verbleibenden Stegen (13,22,23) geringer ist als die Dicke (J)aer übrigen Trennwand (1).

2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen an der Außenseite (10) der Trennwand (1) angebracht und in Form von in Umfangsrichtung ring- bzw. schraubenförmig mit geringer Steigung verlaufenden Rillen (Ua, Herausgebildet sind.

3. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen an der Außenseite (10) der Trennwand (1) angebracht und in Form von in axialer Richtung verlaufenden Rillen (Wb)ausgebildet sind, ss

4. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen in Form von in Reihen oder versetzt angeordneten, wabenförmigen Vertiefungen (21) an mindestens einer der Oberflächen (8, 10) der Trennwand (1) ausgebildet sind, wobei die ring- oder schraubenförmig um die Außenfläche (10) der Trennwand (1) gelegten Verstärkungselemente (12, 14) an den Oberkanten der zwischen den Waben (21) verbleibenden Stege (22,23) abgestützt sind.

5. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen in Form von in axialer Richtung in der Dicke (J) der Trennwand

(1) verlaufenden Bohrungen (24,25) ausgebildet sind.

6. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanisch vorgespannten Verstärkungselemente (12, 14, 17) in die ring- bzw. schraubenförmig in Umfangsrichtung verlaufenden Rillen (Wa, Hereingelegt und derart bemessen sind, daß sie mindestens dieselbe Zugfestigkeit aufweisen, wie das beim Anbringen der Rillen (Ha, Wc) entfernte Material der Trennwand (1).

7. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanisch vorgespannten Verstärkungselemente (19) in den in axialer Richtung verlaufenden Rillen (Wb) bzw. Bohrungen (24, 25) derart bemessen sind, daß sie mindestens dieselbe Zugfestigkeit aufweisen, wie das beim Anbringen der Rillen (Wb) bzw. Bohrungen (24,25) entfernte Material der Trennwand (1).

8. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (1) aus einem metallischen Werkstoff hoher Festigkeit besteht.