Vakuumpumpe mit elektrischem Antrieb, insbesondere Turbomolekularpumpe Die Erfindung betrifft Vakuumpumpen mit elektri schem Antrieb und zwar insbesondere Molekular- und Turbomolekularpumpen, d. h. Pumpen, die mit sehr hohen Drehzahlen angetrieben werden müssen. Bei Vakuumpumpen muss üblicherweise die Welle des rotierenden Teiles durch das Vakuumgehäuse vakuum dicht hindurchgeführt werden, um die Welle entweder unmittelbar oder über ein Getriebe mit dem Antriebs motor kuppeln zu können.
Es ist bekanntlich schwie rig, die Durchführungsstelle der Welle durch die Ge häusewand, in der Regel ein Lager, wirksam und vaku umdicht abzudichten und gleichzeitig dieses Lager wirksam zu kühlen. Diese Schwierigkeiten lassen sich vermeiden, wenn der Antriebsmotor innerhalb des un ter Vakuum stehenden Pumpengehäuses untergebracht wird. Es ist aber bei hohem Vakuum praktisch ausge schlossen, die Verlustwärme des rotierenden Teiles des Motors aus dem Gehäuse abführen zu können.
Ein Einbau des Antriebsmotors in das Gehäuse der Pumpe ist möglich, wenn nach dem Vorschlag der Er findung zum Antrieb des rotierenden Pumpenteiles ein kollektorloser Gleichstrommotor verwendet wird, des sen rotierender Teil, d. h. der Rotor, aus einem perma nenten Magneten besteht. Ein solcher Magnet bedarf keiner Kühlung. Man kann diesen Magneten auf der Pumpenwelle befestigen und entweder ihn allein in einem vakuumdichten und mit dem Gehäuse der Vaku umpumpe in Verbindung stehenden zylindrischen Ge häuseteil einkapseln, wobei dann dieser Teil vom Magnetfeld des permanenten Magneten durchsetzt wird, oder den ganzen Motor im Pumpengehäuse un terbringen, da die Verlustwärme des Stators leicht in bekannter Weise abgeleitet werden kann.
Ein Gleich strommotor als Antriebsmotor hat für Vakuumpumpen weiter den grossen Vorteil, dass er mit sehr hoher Drehzahl betrieben werden kann, z. B. mit 15 000 bis 30 000 Umdrehungen und mehr.
Bei Vakuumpumpen der hier in Frage kommenden Art, insbesondere also bei Turbomolekularpumpen, bietet der Anlauf besondere Schwierigkeiten. Turbo- molekularpumpen erfordern während ihres Betriebes, d. h. bei voller Drehzahl und entsprechendem Vakuum, eine sehr geringe Leistung. Man braucht also nur relativ kleine Antriebsmotoren für den Betrieb. Mit einem solchen Motor kann man aber die Pumpe nicht in einer tragbaren Zeit auf ihre Betriebsdrehzahl bringen, d. h. die Leistung der Motoren muss in der Regel erheblich grösser bemessen werden, als der Be trieb es erfordert. Auch dann beträgt die Anlaufzeit noch mehrere Minuten, wenn gleichzeitig durch eine Vorvakuumpumpe ein entsprechendes Vakuum herge stellt wird.
Es ist bisher üblich, den elektrischen An triebsmotor bzw. ein zwischen Motor und Pumpen welle eingeschaltetes Getriebe über eine Schlupfkupp- lung mit der Pumpenwelle zu kuppeln, um mit einem relativ kleinen Antriebsmotor innerhalb einer tragba ren Zeit das Hochlaufen der Pumpe auf ihre Betriebs drehzahl zu erreichen.
Bei Verwendung eines kollektorlosen Gleichstrom motors, bei dem die erforderliche Stromwendung in den Spulen des feststehenden Stators mit Hilfe von Transistoren vorgenommen wird, die ihrerseits von Hallgeneratoren gesteuert werden, begrenzen die Tran sistoren die Leistung des Motors während des Hoch laufens der Pumpe. Während des Betriebs ist die Ver lustleistung in den Transistoren nur gering, da in den Statorspulen des Motors vom rotierenden permanenten Magneten eine Gegenspannung induziert wird, die der angelegten Netzspannung annähernd gleich ist, d. h. auf die Transistoren nur eine geringe Spannung ent fällt.
Da weiter die zum Antrieb der Vakuumpumpe im Betrieb erforderliche Leistung sehr gering ist und in er ster Annäherung den Lagerreibungsverlusten der Pumpe entspricht, so ist auch der Strom gering, d. h. die bisher zur Verfügung stehenden Transistoren sind für den Betrieb durchaus ausreichend. Beim Anlassen des Motors bzw. der Pumpe wird in der Statorwicklung des Motors noch keine der Netzspannung entgegenge- richtete, annähernd gleiche Spannung erzeugt, d. h. die Steuerspannung des Transistors muss so klein gewählt werden, dass das Produkt aus Netzspannung und An kerstrom auf einen solchen Wert beschränkt bleibt, dass es die zulässige Verlustleistung des Transistors nicht übersteigt.
Damit ist aber der Ankerstrom beim Anlassen der Pumpe auf die Grösse des Netzstromes beim Betrieb begrenzt, d. h. die Hochlaufzeit der Pumpe wird unzulässig lang. Diese Schwierigkeiten be hebt die Erfindung.
Zu diesem Zweck wird nach einem Ausführungs beispiel der Erfindung die Steuerspannung der Transi storen durch eine proportional mit der Drehzahl des Motors und damit der Pumpe wachsende Spannung heraufgesetzt. Das bedeutet, dass der Motorstrom mit wachsender Drehzahl zunimmt, die Verlustleistung der Transistoren aber gleich bleibt. Man erhält so anstelle eines gleichbleibenden ein mit der Drehzahl wachsen des Beschleunigungsmoment, wodurch die Hochlaufzeit der Pumpe auf die bisher übliche Zeit von einigen wenigen Minuten beschränkt werden kann.
Die Transistoren werden wie erwähnt von Hall- Generatoren gesteuert, in denen beim Umlauf des Rotors eine Wechselspannung erzeugt wird, deren Amplitude begrenzt ist. In Reihe mit den Hall-Genera- toren werden zweckmässig Steuerwicklungen geschal tet, die entweder im Stator des kollektorlosen Gleich strommotors oder in einem zweiten, gleichfalls kollek- torlosen Generator angeordnet sein können, so dass in ihnen Wechselspannungen erzeugt werden, die den Wechselspannungen der Hall-Generatoren synchron sind und deren Grösse proportional der Drehzahl des Gleichstrommotors ist.
Den einzelnen Transistoren wird dann jeweils die Summe der Wechselspannung eines Hall-Generators und einer Steuerwicklung mit der Wirkung zugeführt, dass der zugehörige Transistor einen wachsenden Strom zu den Statorwicklungen des Antriebsmotors durchlässt, d. h. das Beschleunigungs moment des Motors nimmt mit wachsender Drehzahl zu, ohne dass sich die Verlustleistung in den Transisto ren erhöht.
Erreicht der Antriebsmotor eine Drehzahl, die an genähert seiner Betriebsdrehzahl entspricht, so wird, wie bei jedem Gleichstrommotor, in den Statorwicklun- gen des kollektorlosen Motors eine Gegenspannung er zeugt, die der Betriebsspannung annähernd gleich ist. Mit abnehmender Differenz dieser beiden Spannungen nimmt aber der Ankerstrom ab, d. h. der Motor kann seine Betriebsdrehzahl nicht überschreiten. Damit ist auch die Spannung in den Steuerwicklungen auf einen bestimmten Wert begrenzt.
Die Stromaufnahme des Motors im Betrieb richtet sich dann nicht mehr nach der Steuerspannung des Transistors bzw. der Hall- Generatoren, sondern nach dem jeweils von der Pumpe geforderten Drehmoment, das wie erwähnt ge ring ist und im wesentlichen den Reibungsverlusten der Lager in der Pumpe entspricht.
yWenn im Betrieb mit grösseren Spannungsschwan kungen der den Motor speisenden Netzspannung ge rechnet werden muss, so können stärkere Spannungser höhungen zu einer unzulässigen Zunahme der Pumpen drehzahl führen. Um dies zu vermeiden, kann man den Transistoren bzw. ihren Vortransistoren die Netzspan nung des Motors über Zenerdioden so zuleiten, dass die Drehzahl des Motors auch bei Erhöhungen der Netzspannung konstant gehalten wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im fol genden anhand der Zeichnung beschrieben, in dieser zeigen: Fig.1 einen Längsschnitt durch eine Turbomoleku- larpumpe in schematischer Darstellung mit einem An trieb, Fig.2 eine schematische Ansicht des Rotors und des Stators des elektrischen Antriebsmotors, Fig.3 eine schematische Ansicht des Generators für die Erzeugung der Steuerspannungen und Fig.4 ein schematisches Schaltbild der Steuerung des Gleichstrommotors.
Die in Fig. 1 gezeigte Turbomolekularpumpe ist als solche bekannt, sie ist daher nur schematisch darge stellt. Ihr rotierender Teil besteht aus einer Welle 1, die über Lager 2 in den Stirnwänden 3 und 4 des Pumpengehäuses 5 gelagert ist. Die Stirnwände sind mit den Flanschen des zylindrischen Gehäuses 5 der Pumpe verschraubt. Auf der Welle 1 sitzen zu beiden Seiten der Mitte mehrere Scheiben 6. Zwischen diesen mit der Welle 1 rotierenden Scheiben sitzen im Ge häuse feststehende ringförmige Scheiben 7. Die rotie renden und die feststehenden Scheiben haben nahe ihrem äusseren Umfang in bestimmter Weise geformte Nuten 8 bzw. 9 1e eine feststehende und eine rotie rende Scheibe bilden eine Druckstufe der Pumpe.
Der Ansaugstutzen der Pumpe ist mit 10 bezeichnet. Er ist mit einem Rezipienten bzw. mit einem zu evakuieren den Raum verbunden. Der Austrittsstutzen ist mit 11 bezeichnet, er ist üblicherweise mit einer Vorvakuum- pumpe verbunden. Der Stutzen 11 sitzt an einem Rohr 12, das durch Öffnungen 13 mit den Druckräumen 14 der Pumpe verbunden ist. Mit 15 sind wassergekühlte Platten bezeichnet, die das Entstehen von öldämpfen an den Lagern 2 verhindern.
In dem Ausführungsbeispiel hat die Welle 1 auf jeder Seite einen Lagerzapfen 16, bzw. 17. Auf dem Zapfen 16 sitzt der aus einem permanenten Magneten bestehende Rotor 18 des elektrischen Antriebsmotors. Das zum Motor gehörige Statorblechpaket ist mit 19 bezeichnet. Der Rotor 18 ist von einer hutartigen Haube 20 umgeben, deren Flansch 21 vakuumdicht mit der Stirnwand 3 verbunden ist. Der zylindrische Mantel der vorzugsweise aus Isoliermaterial bestehen den Haube liegt im Luftspalt zwischen dem Rotor 18 und dem Statorpaket 19. Dieses Paket ist an der Stirn wand 3 befestigt.
Das Statorpaket zusammen mit seinen Wicklungen liegen bei dem Ausführungsbeispiel ausserhalb des Pumpengehäuses, also auch ausserhalb des Vakuums, so dass die Kühlung des Stators mit üblichen Mitteln erfolgen kann. Es ist aber auch möglich, den gesamten Motor mit einer Haube auszuschliessen, die an der Stirnwand 3 befestigt isst. Man kann aber auch den Motor innerhalb des verlängerten Pumpengehäuses 5 unterbringen, so dass die Stirnwand 3 mit dem Lager 2 links vom Motor liegt.
Diese Anordnung hat den Vor teil, dass die Lager 2 von aussen zugänglich sind, d. h. leichter gewartet werden können. Die Kühlung des Sta- tors kann in diesem Fall vorteilhaft mit einer Wasser kühlung durchgeführt werden.
Auf dem Lagerzapfen 17 ist der Rotor 22, gleich falls ein Permanentmagnet, eines Steuergenerators be festigt. Der Rotor ist ebenfalls von einer Haube 23 umschlossen. Der Stator 24 ist von einem achteckigen Ring 25 umgeben, der mit einem Flansch 26 an der Stirnwand 4 befestigt ist und den Stator 24 trägt. Auf diesem Ring sitzen, wie später beschrieben, Transisto ren, die zur Steuerung der in Fig. 2 dargestellten Wick lungen des Antriebsmotors dienen. In Fig. 2 ist das Statorpaket 19 schematisch darge stellt. Das Paket trägt vier Wicklungen 27 bis 30, die in üblicher Weise in Nuten des Statorpaketes unterge bracht sind.
Der Einfachheit halber sind nur vier Nuten. 31 bis 34 dargestellt. Die Wicklungen 27 und 29 einerseits und die Wicklungen 28 und 30 anderer seits arbeiten zusammen. Die Wicklungen sind als Durchmesserwicklungen ausgeführt, d. h. in jeder Nut liegen Leiter der Wicklungen 27 und 29 bzw. 28 und 30. Werden beide Wicklungen vom gleichen Strom durchflossen, so heben sich ihre magnetischen Wirkun gen auf.
Die nachfolgende beschriebene Steuerung der Ströme in. den genannten Arbeitswicklungen 27 his 30 ist so eingerichtet, dass alle Wicklungen den glei chen Strom führen, sich also in ihrer magnetischen Wirkung aufheben, und dass beim Einsetzen der Steue rung der Strom in einer der beiden zusammengehöri gen Wicklungen, z. B. in der Wicklung 27 abnimmt, d. h. auf Null zurückgeht, während der Strom der an deren Wicklung, also 29 zunimmt, so dass zusammen mit dem Magnetfeld des Rotors 18 ein Drehmoment gebildet wird.
Die Steuerung des Stromes in den Wick lungen geschieht in bekannter Weise mittels Transisto ren, die ihrerseits durch Hallgeneratoren gesteuert wer den. Diese mit 35 und 36 bezeichneten Hallgenerato- ren sind im Statorpaket 24 des Steuergenerators unter gebracht, wie dies Fig. 3 zeigt. Das Paket 24 ist hier aus vier gleichen Teilen bestehend dargestellt, die durch Luftspalte 37 voneinander getrennt sind. In zweien dieser Luftspalte sitzen Hallgeneratoren 35 und 36, und zwar um 90 gegeneinander versetzt, da es sich um eine zweipolige Maschine handelt.
Das Stator- paket bildet wieder schematisch vier Nuten 38 bis 41, in denen vier Steuerwicklungen 42 bis 45 unterge bracht sind, d. h. Wicklungen., in denen zusätzliche Steuerspannungen erzeugt werden, die mit den Span nungen der Hallgeneratoren 35 und 36 in Reihe ge schaltet werden.
Auf dem Ring 25 sitzen vier Vortransistoren 46 bis 49 und vier Haupttransistoren 50 bis 53.
Die Arbeitsweisen des Antriebsmotors und des Steuergenerators ergeben sich aus dem in Fig. 4 darge stellten Schaltbild. Wie Fig.4 zeigt, liegen die vier Arbeitswicklungen 27 bis 30 parallel zu den Netzklem men 54, 55. Jede Wicklung wird von einem der Haupttransistoren 50 bis 53 gesteuert. Die Haupttran sistoren erhalten ihre Steuerspannung über Hilfstransi storen 46 bis 49 von den Klemmen 56, 57 einer Hilfs spannung. Gesteuert werden die Hilfstransistoren 46 bis 49 von den beiden Hallgeneratoren 35 und 36. Die Hallgeneratoren liegen wie üblich an einer Gleichspan nung.
Die im Hallgenerator erzeugte Spannung liegt zwischen den Klemmen 58 und 59 bzw. 60 und 61. Jede der genannten Klemmen liegt in Reihe mit einer der Steuerwicklungen 42 bis 45. Solange zwischen den Klemmen 58 und 59 bzw. 60 und 6,1 keine Spannung besteht, ist die Schaltung so ausgelegt, dass die Haupt transistoren einen bestimmten gleichen Strom durch alle vier Wicklungen 27 bis 30 fliessen lassen. In jedem Hallgenerator wird bei der Drehung des. Rotors eine Wechselspannung erzeugt. Die Spannungen beider Hallgeneratoren sind um 90 gegeneinander phasenver schoben.
Ist die erzeugte Spannung beispielsweise in der Klemme 58 positiv, so wird der Transistor 49 und damit auch der Haupttransistor 53 aufgesteuert, dage gen der Transistor 48 und der Haupttransistor 51 her untergesteuert, d. h. der Strom in der Wicklung 28 nimmt zu und in der Wicklung 30 ab. Das gleiche gilt für die Transistoren 46 und 47 und 50 und 52. In den Steuerwicklungen 43 und 45 werden Wechselspannun gen erzeugt, die in Phase mit der Spannung des Hallge- nerators 35, aber einander entgegengesetzt gerichtet sind, ebenso in den Steuerwicklungen 42 und 44 Wechselspannungen, die gleichphasig mit der Span nung des Hallgenerators 36 und einander entgegenge setzt gerichtet sind.
Die Spannungen der Steuerwick lungen addieren sich also zu der Spannung des zugehö rigen Hallgenerators und bewirken eine stärkere Ruf steuerung bzw. Herabsteuerung der Vortransistoren 46 bis 49.