DE102007001201A1

DE102007001201A1 - Verfahren zur Ermittlung von Resonanzfrequenzen eines magnetgelagerten Rotors

Info

Publication number: DE102007001201A1
Application number: DE102007001201A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr.-Ing. Jung
Original assignee: Oerlikon Leybold Vacuum GmbH
Current assignee: Leybold GmbH
Priority date: 2007-01-05
Filing date: 2007-01-05
Publication date: 2008-07-10
Also published as: EP2106505A1; CN101583799A; WO2008081030A1; CA2674263A1; JP2010515004A; KR20090098914A; US20100072845A1; RU2009129879A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung von Resonanzfrequenzen eines magnetgelagerten Rotors, insbesondere eines Rotors einer Turbes Rotors oder der Rotation des Rotors mit relativ geringer Drehfrequenz werden mechanische Schwingungen des Rotors durch Elektromagnete der Magnetlagerung generiert. Die Rotorschwingungen werden durch Rotorlage-Sensoren der Magnetlagerung detektiert. Aus den detektierten Rotorlage-Schwingungen werden die Resonanzfrequenzen des Rotors ermittelt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung von Resonanzfrequenzen eines mit einer aktiven Magnetlagerung gelagerten Rotors.
Maschinen mit einem magnetgelagerten Rotor sind wegen ihrer Reibungsfreiheit in der Regel schnell drehende Maschinen, beispielsweise Turbomolekular-Vakuumpumpen. Bei allen Anwendungen, jedoch insbesondere bei schnell drehenden Rotoren, ist die Drehfrequenz des Rotors so zu steuern, dass die kritische Eigenfrequenz des Rotors, also keine sogenannte Resonanzfrequenz, möglichst während des Betriebs überhaupt nicht oder möglichst kurz mit der Drehfrequenz übereinstimmt, um Resonanz zu vermeiden bzw. zu minimieren, und auf diese Weise ein mechanisches Überbeanspruchen des Rotors zu vermeiden.
Bei Turbomolekular-Vakuumpumpen tritt hinzu, dass der Spalt zwischen dem Pumpenrotor und dem Pumpenstator extrem klein ist, um die Rückströmverluste möglichst gering zu halten. Zu große Auslenkungen des Pumpenrotors, die zu einer Kollision mit dem Pumpenstator führen könnten, sind daher in jedem Fall zu vermeiden. Aus diesem Grund ist auch der Betrieb einer magnetgelagerten Turbomolekular-Vakuumpumpe in der Nähe der Rotor-Resonanzfrequenz zu vermeiden.
Bei Rotoren bzw. Turbomolekular-Vakuumpumpen nach dem Stand der Technik werden die Resonanzfrequenzen für jedes Modell experimentell ermittelt und die Drehzahlsteuerung bzw. -regelung der Pumpen des betreffenden Modells starr so eingestellt, dass die Rotor-Resonanzfrequenzen vermieden werden bzw. beim Hoch- und Runterfahren möglichst schnell durchlaufen werden. Wegen der exemplarweisen Streuung innerhalb eines Modells und möglicher Veränderungen über die gesamte Betriebsdauer sind relativ hohe Sicherheiten um die experimentell ermittelte Modell-Resonanzfrequenz vorzusehen.
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein Verfahren zu schaffen, mit dem die Resonanzfrequenzen eines magnetgelagerten Rotors stets genau ermittelt werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
Das erfindungsgemäße Verfahren bezieht sich ausschließlich auf einen magnetgelagerten Rotor, wie er insbesondere bei Turbomolekular-Vakuumpumpen häufig vorzufinden ist.
Während des Rotor-Stillstandes oder bei nicht zu nah an der Rotor-Nenndrehfrequenz drehenden Rotor werden durch die Elektromagnete der Rotor-Magnetlagerung mechanische Schwingungen des Rotors generiert. Gleichzeitig werden durch die Rotorlage-Sensoren der Magnetlagerung die generierten Rotor-Schwingungen detektiert bzw. erfasst. Aus den detektierten Schwingungen und den Informationen über die Frequenz der generierten Schwingungen können die Resonanzfrequenzen des Rotors ermittelt werden.
Die Resonanzfrequenzen des Rotors werden also bei Rotor-Drehfrequenzen ermittelt, durch die keine mechanische Resonanz des Rotors angeregt wird. Die beschriebene Ermittlung der Resonanzfrequenzen kann bei stehendem Rotor durchgeführt werden. Allerdings ist die Ermittlung der Resonanzfrequenzen bei einem sich jedenfalls langsam drehenden Rotor genauer, da sich die Resonanzfrequenz des Rotors mit seiner dynamischen Belastung bei Rotation verändert.
Vorzugsweise sind also die Frequenzen der generierten Schwingungen jedenfalls teilweise oberhalb der Rotor-Drehfrequenz. Mit anderen Worten, durch die Generierung von mechanischen Rotor-Schwingungen durch die Magnetlagerung muss der Motor nicht rotatorisch angeregt werden, um seine Resonanzfrequenzen ermitteln zu können.
Je höher jedoch die Rotor-Drehfrequenz während der Ermittlung der Rotor-Resonanzfrequenzen ist, desto genauer kann die Resonanzfrequenz ermittelt werden. Andererseits sollte die Drehfrequenz des Rotors während der Resonanzfrequenz-Ermittlung möglichst niedrig liegen, um die Kollisionsgefahr zu verringern bzw. den Schaden im Falle einer Kollision gering zu halten. Ferner erlaubt eine Resonanzfrequenz-Ermittlung bei niedrigen Rotor-Drehfrequenzen bzw. im Stillstand eine schnelle Bestimmung der Resonanzfrequenzen, da ein langwieriges Hochfahren der Rotordrehfrequenz entfällt bzw. nur wenig Zeit einnimmt. Die eigentliche Ermittlung der Resonanzfrequenzen des Rotors kann unter Umständen innerhalb weniger Sekunden vorgenommen werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Rotor-Drehfrequenz während der Schwingungsgenerierung und der Resonanzfrequenz-Ermittlung kleiner als 70 der Rotor-Nenndrehfrequenz, besonders bevorzugt kleiner als 30%. Versuche haben ergeben, dass Rotor-Drehfrequenzen von 10% der Rotor-Nenndrehfrequenz bereits eine Ermittlung der Rotor-Resonanzfrequenzen mit ausreichend hoher Genauigkeit erlauben.
Durch die exakte Ermittlung der Resonanzfrequenzen des Rotors kann die Rotor-Nenndrehfrequenz auch zwischen zwei Resonanzfrequenzen des Rotors gewählt werden. Durch die exakte stückbezogene Resonanzfrequenz-Bestimmung werden für den Betrieb des Rotors Frequenzbänder ermittelt, die bei nicht genauer Kenntnis der Resonanzfrequenz wegen der dann erforderlichen Sicherheiten unter Umständen nicht verwendet werden konnten.
Gegenüber zunächst modellbezogen ermittelten und in alle Exemplare eines Modells fest eingespeicherten Resonanzfrequenzen hat das vorliegende Verfahren den Vorteil, für jeden einzelnen Rotor individuell Resonanzfrequenzen ermitteln zu können. Da die ermittelten Resonanzfrequenzen für jeden einzelnen Rotor individuell bekannt sind, kann der Rotor grundsätzlich mit Drehfrequenzen gefahren werden, die näher an den individuellen Rotor-Resonanzfrequenzen liegen, da keine entsprechenden Sicherheiten für Streuungen vorzusehen sind, wie sie bei fest programmierten Resonanzfrequenzen vorzusehen wären. Insbesondere bei Turbomolekular-Vakuumpumpen hat sich gezeigt, dass erhebliche Exemplarstreuungen der kritischen Resonanzfrequenzen von Exemplar zu Exemplar eines Modells festzustellen sind, so dass die Kenntnis der tatsächlichen rotorbezogenen Resonanzfrequenzen große Vorteile bringt.
Die Ermittlung der Resonanzfrequenzen mit dem beschriebenen Verfahren kann bei der Erstinbetriebnahme der betreffenden Maschine mit dem Rotor erfolgen, kann jedoch auch alternativ oder ergänzend regelmäßig oder nach längeren Stillstandszeiten erfolgen.
Vorzugsweise werden durch die Magnetlagerungs-Elektromagnete mechanische Schwingungen verschiedener Schwingungsfrequenzen generiert. Beispielsweise können Schwingungen des gesamten Drehfrequenz-Frequenzspektrums generiert werden, in dem die betreffende Maschine bzw. der betreffende Rotor eingesetzt werden soll. Das Frequenzspektrum, das durch die Magnetlagerungs-Elektromagnete in dem Rotor generiert werden soll, kann jedoch auch auf die kritischen Bereiche beschränkt werden, die für das betreffende Maschinen-Modell bzw. Rotor-Modell bekannt und typisch sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung bezieht sich das Verfahren auf die Ermittlung von Resonanzfrequenzen eines magnetgelagerten Rotors einer Turbomolekular-Vakuumpumpe. Bei einer derartigen Maschine sind die Spalte zwischen dem Pumpenrotor und dem Pumpenstator extrem klein, so dass der Betrieb des Rotors mit bzw. in der Nähe seiner Resonanzfrequenz eine erhebliche Kollisionsgefahr mit sich bringt. Bei der Nutzung fest programmierter modellgebundener Rotor-Resonanzfrequenzen müssen wegen der Exemplarstreuungen erhebliche Sicherheiten berücksichtigt werden. Durch die Ermittlung der Resonanzfrequenzen für den betreffenden Rotor bzw. die betreffende Vakuumpumpe können diese Sicherheiten erheblich kleiner gewählt werden, so dass die Turbomolekular-Vakuumpumpe mit Drehfrequenzen betrieben werden kann, die erheblich näher an der Resonanzfrequenz liegen, als dies bei fest programmierten modellbezogenen Resonanzfrequenzen der Fall wäre.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Die Erfindung sei am Beispiel einer Turbomolekular-Vakuumpumpe näher beschrieben. Der Rotor einer Turbomolekular-Vakuumpumpe besteht u. a. aus einer Welle, auf der fest ein Motorrotor und ein Pumpenrotor sitzen. Ferner können an der Welle rotorseitige Bauelemente der Magnetlagerung vorgesehen sein, beispielsweise permanent magnetische Hülsen, Ringe etc.
Statorseitig sind u. a. ein Pumpenstator, ein Motorstator und statorseitige Teile der Magnetlagerung vorgesehen. Zu den statorseitigen Teilen der Magnetlagerung zählen u. a. mehrere Elektromagnete, die von einer Magnetlager-Steuerung angesteuert werden. Ferner sind statorseitig Rotorlage-Sensoren vorgesehen, die mit hoher Messfrequenz und hoher Genauigkeit die genaue Rotorlage ermitteln können.
Bei Stillstand des Rotors wird vor der ersten Inbetriebnahme sowie in regelmäßigen zeitlichen Abständen vor dem Hochfahren des Rotors auf seine Betriebs-Drehfrequenz ein stationärer Testlauf durchgeführt. Hierbei wird der Rotor durch die Magnetlagerungs-Elektromagnete einerseits in der schwebenden Betriebsposition gehalten und andererseits mit mechanischen Schwingungen beaufschlagt. Die Magnetlagerung generiert auf diese Weise Rotor-Schwingungen über ein Frequenzspektrum, indem eine Resonanzfrequenz bzw. mehrere Resonanzfrequenzen bezogen auf die Bauart bzw. das Modell der Vakuumpumpe erwartet werden.
Durch die Rotorlage-Sensoren wird festgestellt, ob sich die Rotor-Schwingungen bei der durch die Magnetlagerungs-Elektromagnete generierten jeweiligen Schwingungsfrequenz aufschaukeln oder nicht aufschaukeln.
Auf diese Weise kann mit hoher Genauigkeit die Resonanzfrequenz des Rotors, die sich über die Betriebszeit auch ändern kann, jederzeit ermittelt werden.
Für den Betrieb des Rotors können relativ enge Frequenzbänder um die ermittelte Rotor-Resonanzfrequenz herum als Sicherheit gelegt werden. Der Rotor bzw. die Turbomolekular-Vakuumpumpe kann auf diese Weise mit Drehfrequenzen betrieben werden, die, falls dies erwünscht ist, relativ nahe an einer auf diese Weise ermittelten Resonanzfrequenz liegen. Um die Turbomolekular-Vakuumpumpe im überkritischen Drehfrequenzbereich betreiben zu können, also in einem Drehfrequenzbereich oberhalb einer Resonanzfrequenz, muss der Bereich um die Resonanzfrequenz herum möglichst schnell durchlaufen werden. Auch für das Hochfahren der Vakuumpumpe auf eine überkritische Drehzahlfrequenz ist die genaue Information über die Resonanzfrequenz des Rotors von großer Wichtigkeit.
Gegebenenfalls ist es möglich, die maximale Drehfrequenz möglichst nah unterhalb der Rotor-Resonanzfrequenz zu wählen. Durch die genaue Ermittlung der Resonanzfrequenz kann eine Betriebs-Drehfrequenz gewählt werden, die höher und damit näher an einer Resonanzfrequenz liegen kann, als dies möglich wäre, wenn die Exemplarstreuung der Resonanzfrequenz nicht bekannt wäre. Hierdurch kann die maximale Drehfrequenz einer Turbomolekular-Vakuumpumpe um bis zu 10%–15% erhöht werden.

Claims

Verfahren zur Ermittlung von Resonanzfrequenzen eines magnetgelagerten Rotors, mit den Verfahrensschritten: – Generierung mechanischer Schwingungen des Rotors durch Elektromagnete der Magnetlagerung, – Detektion der Rotor-Schwingungen durch Rotorlage-Sensoren der Magnetlagerung und – Ermittlung der Resonanzfrequenzen des Rotors aus den detektierten Schwingungen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzen der generierten Schwingungen mindestens teilweise oberhalb der Rotor-Drehfrequenz liegen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotor-Drehfrequenz während der Schwingungs-Generierung kleiner als 70 der Rotor-Nenndrehfrequenz ist, bevorzugt kleiner als 30%.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass mechanische Schwingungen verschiedener Schwingungsfrequenzen generiert werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mechanische Schwingungen verschiedener Schwingungsfrequenzen eines Frequenzspektrums generiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetgelagerte Rotor ein Rotor einer Turbomolekular-Vakuumpumpe ist.