DE3834222C2 - Zentrifuge - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zentrifuge.

Aus der US 15 85 566 ist eine Zentrifuge mit integriertem, elektrischen Rotationsantrieb bekannt, bei der der Zentrifugenrotor unterhalb seines Gutaufnahmeraums gelagert ist, der Rotationsantrieb einen ringförmigen, mit Stromleitern versehenen Stator aufweist, und durch die nachgiebige Lagerung des Zentrifugenrotors sowie die Ausbildung des Rotationsantriebs Schrägstellungen der Achse des Zentrifugenrotors relativ zu der Achse des Stators möglich sind. Der Rotationsantrieb ist als Käfigläufer-Wechselstrommotor ausgebildet.

Es ist ferner bekannt, bei einer Zentrifuge einen integrierten, elektrischen Rotationsantrieb mittels unmittelbar an dem Zentrifugenrotor vorhandener Dauermagnete auszubilden, wobei die Dauermagnetpolflächen entweder nach oben weisen (DE 74 26 623 U1) oder nach unten weisen (JP-OS 55-86552).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine unkomplizierte, robuste, nicht auf gleichmäßige Verteilung des zu zentrifugierenden Guts in dem Zentrifugenrotor angewiesene Zentrifuge verfügbar zu machen.

Diese Aufgabe wird durch eine Zentrifuge mit folgenden Merkmalen gelöst.

• (a) der Zentrifugenrotor ist unterhalb des Aufnahmeraums für zu zentrifugierendes Gut drehbar gelagert;
• (b) der Zentrifugenrotor ist oben mit einem ringförmigen Tragteil versehen, an dem umfangsmäßig verteilt Dauermagnete mit nach oben oder nach unten weisenden Polflächen befestigt sind und das einen magnetischen Rückschlußweg für die Dauermagnete aufweist;
• (c) an dem Zentrifugengehäuse ist ein ringförmiger, mit Stromleitern versehener Stator mit den Dauermagnetpolflächen zugewandten Statorpolflächen vorgesehen, wobei zwischen den Dauermagnetpolflächen und den Statorpolflächen ein Luftspalt besteht;
• (d) es ist eine elektronische Steuerung zum elektronischen Kommutieren des durch den Stator und die Dauermagnete gebildeten, elektrischen Rotationsantriebs des Zentrifugenrotors vorgesehen;
• (e) die nachgiebig ausgebildete Lagerung und der Rotationsantrieb des Zentrifugenrotors sind so ausgelegt, daß Schrägstellungen der Achse des Zentrifugenrotors relativ zu der Achse des Stators möglich sind.

Dabei können die Stromleiter des Stators in Form von Spulen vorgesehen sein. Mit der elektronischen Steuerung zum Kommutieren des Rotationsantriebs ist es möglich, den Zentrifugenrotor mit unterschiedlicher Drehzahl anzutreiben.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Wirkfläche kann ihrer Gestalt nach eben, kegelig oder kugelig sein. Bei kugeliger Gestalt der Wirk­ fläche wird deren Dicke bei Schrägstellungen der Rotor­ teilachse relativ zur Statorzentralachse nicht geändert. Bei ebener Gestalt gibt es kleine, aber durch die Kon­ struktion bequem beherrschbare Dickenänderungen der Wirkfläche.

Der angegebene Rotationsantrieb zeichnet sich dadurch aus, daß er aufgrund seiner Konstruktion mit ver­ gleichsweise dickem Luftspalt gebaut werden kann, beispielsweise einem Luftspalt, der mehrere Millimeter dick ist. Dies macht die vorstehend angesprochenen Änderungen in der Dicke der Wirkfläche bzw. des Luftspalts bequem beherrschbar.

Wenn die Dauermagnete unterhalb oder schräg unterhalb der Wirkfläche angeordnet sind, wirken die magnetischen Anziehungskräfte zwischen dem Stator und den Dauermagneten ganz oder mit einer Komponente in Auf­ wärtsrichtung auf das Rotorteil. Hierdurch wird die Lage­ rung des Rotorteils mindestens von einem Teil des Gewichts des Rotorteils entlastet. Die Auslegung kann so weit gehen, daß die geschilderten, magnetischen Anzie­ hungskräfte in Vertikalrichtung größer sind als das Ge­ wicht des Rotorteils, so daß dessen Lagerung in Vertikalrichtung nicht nach oben gerichtete Abstützkräfte sondern nach unten gerichtete Abstützkräfte aufbringt.

Die Dauermagnete und/oder der Stator mit den Stromleitern bzw. Spulen können gegen äußere Einflüsse geschützt bzw. abgedichtet werden. Dies kann durch Abdeckungen oder Vergußmassen, beispielsweise aus resistentem Kunststoff, bewerkstelligt werden. Derartige Maßnahmen sind insbesondere dann angebracht, wenn in der Zentrifuge aggressive oder klebrige Substan­ zen verarbeitet werden, weil dann der Antrieb vor allem in Verbindung mit dem großen Luftspalt auch gut gereinigt werden kann, beispielsweise durch Behandlung mit an sich aggressiven Reinigungsmitteln.

Die Zentrifuge ist ganz besonders geeignet zum Zentri­ fugieren von Füllmasse, also Zucker und Melasse bei der Zuckerherstellung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung teilweise schematisiert dargestellt und wird nachstehend näher erläutert. Die Zeichnungsfigur zeigt eine Melassezentri­ fuge in einem halbierten, axialen Längsschnitt.

Bei der dargestellten Zentrifuge 2 ist der Zentrifugenrotor 4 als aufrechter Zylinder mit einem unteren Abschluß 6 und einem oberen Abschluß 8 ausgebildet. Das umgebende Zentrifugengehäuse 10 ist ebenfalls im wesentlichen aufrecht-zylindrisch. In dem oberen Gehäuseabschnitt 12 ist zentral ein vertikales Rohr 14 angeordnet. Im oberen Abschluß 8 des Rotors 4 ist unter dem Rohr 14 eine zentrale Öffnung 16 vorgesehen. Die Mantelfläche des Rotors 4 ist innen mit einer Filterschicht 18 ausge­ kleidet und weist nicht dargestellte, radiale Öffnungen auf, durch die ein durch Zentrifugieren abzutrennender Bestandteil, beispielsweise Wasser aus Melasse, aus dem Rotorteil hinausgedrückt wird. Der untere Abschluß 6 des Rotors 4 weist nicht dargestellte Öffnungen auf, durch die der Zentrifugierrückstand nach unten aus dem Rotor 4 herausgebracht werden kann.

Der Rotor 4 weist unten einen vertikalen, wellenar­ tigen Fortsatz 20 auf und ist dort mittels zwei axial beabstandeter Wälzlager 22, 24 gelagert. Mindestens eins der Lager 22, 24 ist beispielsweise durch Puffer 26 aus gummielastischem Material nachgiebig im Gehäuse 10 auf­ genommen.

In der Zeichnung erkennt man ferner, daß an der Untersei­ te des oberen Gehäuseabschlusses 12 ein insgesamt kreis­ ringförmiger Stator 28 befestigt ist. Der Stator 28 be­ steht aus Blechpaketen und weist nicht dargestellte Stromleiter oder Spulen auf. Oben auf dem oberen Abschluß 8 des Rotors 4 ist ein ringförmiges Tragteil 20 befestigt, auf das oben Dauermagnete 32 mit in Umfangsrichtung wechselnder Polung in Form einer Umfangsreihe aufgeklebt sind. Unterhalb der Dauermagnete 32 ist das Tragteil 30 für einen geeigneten magnetischen Rückschlußweg ausge­ bildet. Zwischen den oberen Polflächen der Dauermagnete 32 und den unteren Polflächen des Stators 28 ist ein Luftspalt 34 mit einer in Vertikalrichtung gemessenen Dicke von mehreren Millimetern. Diejenige Fläche, die man zwischen die beschriebenen Polflächen legen kann, bezeichnet man als Wirkfläche 36. Im gezeichneten Fall ist die Wirkfläche 36 waagerecht und somit rechtwinklig zur Achse 38 des Stators 28. Mit 40 ist die Achse des Rotors 4 bezeichnet. Im gezeichneten Zustand fallen die Achsen 38 und 40 zusammen. Bei Schräg­ stellungen der Achse 40 des Rotors 4 auf­ grund der beschriebenen nachgiebigen Lagerung ergibt sich ein Winkel zwischen den Achsen 38 und 40. Der Stator 28 und die Ringreihe der Dauermagnete 32 umgeben die zuge­ ordneten Achsen 38 bzw. 40 konzentrisch außerhalb des Rohrs 14 bzw. der Öffnung 16. Durch den Stator 28 und die Dauermagnete 32 wird ein Rotationsantrieb 42 für den Ro­ tor 4 gebildet. Das Tragteil 30 ist, nach Vormontage durch Ankleben der Dauermagnete 32, von oben an dem Ro­ tor 4 befestigt und weist ebenfalls eine Öffnung auf, damit die Öffnung 16 dort nicht verschlossen wird.

Mit 44 ist eine schematisch dargestellte, elektronische Steuerungseinheit bezeichnet, wie sie an sich bekannt ist. Mittels der Steuerungseinheit 44 lassen sich die Stromleiter bzw. Spulen des Stators 28 elektronisch kommutieren. Beispielsweise arbeitet die Steuerungseinheit 44 mit einem Vierquadranten-Wechselrichter. Die Steuerungseinheit 44 kann die Funktion, zum Abbremsen des Rotors 4 den Antrieb 42 auf Generator­ funktion mit Stromrückspeisung ins Netz umzuschalten, beinhalten. Der ringförmige Stator 28 kann in mehrere, in Umfangsrichtung aneinander anschließende Statorele­ mente unterteilt sein und auch die Steuerungseinheit 44 kann funktionell so unterteilt sein, daß jedes Statorelement für sich oder auch geeignete Gruppen von Statorelementen gemeinsam elektrisch versorgt und kommutiert werden. Auf diese Weise hat man eine Unterteilung des Antriebs 42 in mehrere, selbständig funktionstüchtige Teil-Antriebe, so daß Störungen bei einzelnen Statorelementen oder einzelnen Teil-Steuerungen die Gesamtfunktion der Zentri­ fuge nicht in Frage stellen. Eine Stromeinspeisung in den Rotor 4 ist nicht vorhanden. Die Steuerungs­ einheit 44 ist so ausgelegt, daß gewünschte Fahrzyklen automatisch durchfahren werden können, beispielsweise allmähliche Steigerung der Rotationsdrehzahl, dann eine konstante erste Drehzahl für eine erste Zeitspanne, dann eine konstante zweite Drehzahl für eine zweite Zeitspanne und dann Abbremsen.

Statt der gezeichneten Wirkfläche 36, die rechtwinklig zur Statorzentralachse 38 ist, kann eine Wirkfläche, die auf einem Kegelmantel oder auf einem Kugelmantel liegt, vorgesehen werden.

Man erkennt in der Zeichnung, daß die Dauermagnete 32 durch einen hochstehenden, äußeren Rand des Tragteils 30 formschlüssig radial gehalten werden, um die auf die Dauermagnete 32 wirkende Zentrifugalkraft sicher aufzu­ fangen. Analoge, formschlüssige Festlegungen sieht man sinnvollerweise auch bei kegeliger oder kugeliger Wirk­ fläche 36 vor. Bei kegeliger Wirkfläche 36 kann die Kegelspitze unterhalb oder oberhalb des Antriebs 42 liegen. Im zweitgenannten Fall ist eine formschlüssige Dauermagnetfestlegung besonders wichtig. Analoge Überle­ gungen gelten für eine kugelige Wirkfläche.

Es wird darauf hingewiesen, daß der Antrieb 42 aufgrund seiner Konstruktion nicht nur Schrägstellungen der Rotationsachse 40 des Rotorteils 4 geometrisch zuläßt, sondern daß auch bei derartigen Schrägstellungen die Antriebsfunktion höchstens geringfügig beeinträchtigt wird, weil der Stator 28 so gebaut ist, daß der Antrieb 42 auch bei einem gewissen "Auswandern" des Tragteils 30 mit den Dauermagneten 32 noch ordnungsgemäß funktioniert. Darüber hinaus sorgen die magnetischen Anziehungskräfte zwischen Stator 28 und Dauermagneten 32 für eine Rück­ stellwirkung des Rotorteils. Überhaupt zeichnet sich die gesamte Konstruktion dadurch aus, daß relativ grobe Toleranzen zulässig sind, insbesondere weil der Antrieb 42 mit einer relativ großen Luftspaltdicke arbeitet.

Die Dauermagnete 32 können an dem Tragteil 30 angeklebt sein, beispielsweise mit einem elastischen Kleber mit einer derartigen Schichtdicke, daß Dehnungen des Tragteils 30 unter der Wirkung der Zentrifugalkraft durch den Kleber ausgeglichen werden.

Die Oberseite der Dauermagnete 32 kann mit einer Kunststoffabdeckung hermetisch verschlossen werden und der Stator 28 in vollvergossener Bauweise, ein­ schließlich der Polflächen ausgeführt sein. Selbst wenn durch klebrigen Dunst Ablagerungen am Antrieb 42 gebildet werden, lassen sich diese durch aggressive Reinigungs­ mittel, scharfen Wasserstrahl oder dgl. entfernen, ohne daß der Antrieb 42 dabei Schaden nimmt. Der obere Abschnitt 12 des Gehäuses 10 ist einschließlich des Stators 28 nach oben abnehmbar. Die Steuerungseinheit 44 befindet sich ein Stück entfernt von der Zentrifuge 2 und ist so von nachteiligen Einflüssen durch in der Zentrifuge 2 verarbeitete Substanzen isoliert. Der Stator 28 bzw. dessen Spulen können wassergekühlt ausgeführt sein. Die Lagerung des Rotorteils 4 kann auch in Vertikalrich­ tung nachgiebig sein, weil der Antrieb 42 auch daraus herrührende Luftspaltänderungen verträgt. Anstelle des Lagers 24, 26 kann auch ein Kugelkalottenlager verwen­ det werden.

Claims (10)

1. Zentrifuge (2) mit folgenden Merkmalen:

• (a) der Zentrifugenrotor (4) ist unterhalb des Aufnahmeraums für zu zentrifugierendes Gut drehbar gelagert;
• (b) der Zentrifugenrotor (4) ist oben mit einem ringförmigen Tragteil (30) versehen, an dem umfangsmäßig verteilt Dauermagnete (32) mit nach oben oder nach unten weisenden Polflächen befestigt sind und das einen magnetischen Rückschlußweg für die Dauermagnete (32) aufweist;
• (c) an dem Zentrifugengehäuse (10) ist ein ringförmiger, mit Stromleitern versehener Stator (28) mit den Dauermagnetpolflächen zugewandten Statorpolflächen vorgesehen, wobei zwischen den Dauermagnetpolflächen und den Statorpolflächen ein Luftspalt (34) besteht;
• (d) es ist eine elektronische Steuerung (Steuerungseinheit 44) zum elektronischen Kommutieren des durch den Stator (28) und die Dauermagnete (32) gebildeten, elektrischen Rotationsantriebs (42) des Zentrifugenrotors (4) vorgesehen;
• (e) die nachgiebig ausgebildete Lagerung (Wälzlager 22, Wälzlager 24, Puffer 26) und der Rotationsantrieb (42) des Zentrifugenrotors (4) sind so ausgelegt, daß Schrägstellungen der Achse (40) des Zentrifugenrotors (4) relativ zu der Achse (38) des Stators (28) möglich sind.

2. Zentrifuge (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt (34) sich insgesamt entsprechend einer zu der Achse (38) des Stators (28) rechtwinkligen Ebene oder entsprechend einem Teil eines Kegelmantels oder entsprechend einem Teil eines Kugelmantels erstreckt.

3. Zentrifuge (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt (34) mehrere Millimeter dick ist.

4. Zentrifuge (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen der Achse (38) des Stators (28) und der Normalen auf die Statorpolflächen kleiner als 20° ist.

5. Zentrifuge (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauermagnete (32) an dem Tragteil (30) festgeklebt sind.

6. Zentrifuge (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauermagnete (32) gegen die einwirkende Zentrifugalkraft formschlüssig gehalten sind.

7. Zentrifuge (2) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauermagnete (32) mit elastischem Kleber an dem Tragteil (30) festgeklebt sind mit einer derartigen Kleberschichtdicke, daß Dehnungen des Tragteils (30) infolge der einwirkenden Zentrifugalkraft aufgenommen werden.

8. Zentrifuge (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauermagnete (32) und/oder der Stator (28) mit den Stromleitern durch eine Abdeckung oder eine Vergußmasse gegen äußere Einflüsse geschützt sind.

9. Zentrifuge (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (28) elektrisch in mehrere Statorelemente mit jeweils zugeordneter elektronischer Steuerung unterteilt ist, so daß der Rotationsantrieb (42) aus mehreren, selbständig funktionstüchtigen Teil-Antrieben besteht.

10. Zentrifuge (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Steuerung (Steuerungseinheit 44) so ausgebildet ist, daß der Rotationsantrieb (42) beim Abbremsen des Zentrifugenrotors (4) als Generator arbeitet.