DE102009005032A1

DE102009005032A1 - Schwingungsreduziereinrichtung

Info

Publication number: DE102009005032A1
Application number: DE200910005032
Authority: DE
Inventors: Martin Dipl.-Ing. Laerbusch
Original assignee: Oerlikon Leybold Vacuum GmbH
Current assignee: Leybold GmbH
Priority date: 2009-01-17
Filing date: 2009-01-17
Publication date: 2010-07-22

Abstract

Eine Schwingungsreduziereinrichtung in einem Vakuumpumpensystem mit mindestens zwei mechanisch gekopnsvorrichtung (14) zum Synchronisieren der Drehfrequenzen der Antriebsmotoren mindestens zweier Vakuumpumpen (10) auf eine gemeinsame Nenndrehfrequenz und eine Phasenverschiebungseinrichtung zum Verschieben der Phasenwinkel der synchronisierten Drehfrequenzen gegeneinander auf eine vorbestimmte Phasenverschiebung, die insbesondere eine halbe Wellenlänge oder ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge der Nenndrehfrequenz betragen kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schwingungsreduziereinrichtung in einem Vakuumpumpensystem mit mindestens zwei mechanisch gekoppelten Vakuumpumpen.
Bei Vakuumpumpensystemen mit zwei oder mehr mechanisch fest verbundenen und dadurch hart angekoppelten Vakuumpumpen entstehen während des Betriebes Unwuchten, die zu Geräuschen und zu erhöhtem Verschleiß führen können. Derartige Unwuchten werden durch die mechanische Kopplung auf andere Vakuumpumpen übertragen, was zu einer Überlagerung der Unwuchten verschiedener Vakuumpumpen des Vakuumpumpensystems führt. Die Unwuchten lassen sich durch Frequenz und Phase beschreiben. Häufig werden bei derartigen Vakuumpumpensystemen Vakuumpumpen mit gleicher Betriebsfrequenz oder mit jeweils einem ganzzahligen Vielfachen der Betriebsfrequenz einer anderen Pumpe betrieben. Dadurch überlagern sich Unwuchten gleicher Frequenz, die zu einem Aufschaukeln der Schwingungen führen können.
Bislang wurden gegen derartige Schwingungen externe Dämpfer oder Schallschutzhauben zur Vermeidung der Auswirkungen solcher Schwingungen eingesetzt. Diese zusätzlichen Bauteile sind mit erhöhten Kosten und einem erhöhten Platzbedarf verbunden und erschweren den Zugang zu dem Vakuumpumpensystem, z. B. im Falle von Wartungsarbeiten. Eine harte mechanische Ankopplung zwischen den Vakuumpumpen wurde unter anderem zur Vermeidung des Aufschaukelns von Schwingungen möglichst vermieden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Vakuumpumpensystem mit mindestens zwei mechanisch direkt gekoppelten Vakuumpumpen auf einfache Weise Schwingungen zu reduzieren.
Die erfindungsgemäße Schwingungsreduziereinrichtung ist definiert durch die Merkmale von Patentanspruch 1. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Reduzieren von Schwingungen ist definiert durch die Merkmale von Patentanspruch 6.
Die erfindungsgemäße Schwingungsreduziereinrichtung ist Bestandteil eines Vakuumpumpensystems mit mindestens zwei mechanisch direkt gekoppelten Vakuumpumpen, die z. B. ein einteiliges Gehäuse aufweisen und/oder fest miteinander verschraubt oder verschweißt sind, so dass die Pumpen steif miteinander verbunden sind. Eine Synchronisationsvorrichtung ist in der Regel Teil der Frequenzumrichter und ist zum Synchronisieren der Drehfrequenzen der Antriebsmotoren mindestens zweier Pumpen auf eine gemeinsame Nenndrehfrequenz vorgesehen. Um ein Aufschaukeln der Schwingungen durch Überlagerung zu verhindern, ist eine Phasenverschiebungseinrichtung vorgesehen, mit der die Phasenwinkel der synchronisierten Drehfrequenzen derart gegeneinander auf eine vorbestimmte Phasenverschiebung verschiebbar sind, dass das Vakuumpumpensystem beim Betrieb mit einer resultierenden Schwebungsfrequenz schwingt oder dass eine Auslöschung der Drehfrequenzen erfolgt. Eine Schwebungsfrequenz kann erzeugt werden, um für das menschliche Ohr unangenehme resultierende Gesamtschwingungen in einem hohen Frequenzbereich von z. B. 2 kHz, in dem das menschliche Ohr besonders empfindlich ist, zu vermeiden. Vor dem Hintergrund, dass das menschliche Ohr bei tieferen Frequenzen eine geringere Empfindlichkeit aufweist, kann eine resultierende Gesamtschwebung mit geringerer Frequenz erzeugt werden. Zudem kann die Schwebungsfrequenz auf einen für das Vakuumpumpensystem unschädlichen Wert eingestellt werden.
Alternativ kann eine Auslöschung der Drehfrequenzen dadurch hervorgerufen werden, dass die vorbestimmte Phasenverschiebung eine halbe Wellenlänge oder ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge der Nenndrehfrequenz zwischen den beiden gekoppelten Pumpen beträgt. Bei Überlagerung von Schwingungen der gekoppelten Pumpe sind diese aufgrund der Phasenverschiebung derart gegeneinander phasenverschoben, dass eine positive Schwingungshalbwelle von einer negativen Schwingungshalbwelle überlagert wird. Im Falle gleicher Amplituden löschen sich die Schwingungen dann gegenseitig aus. Im Falle verschiedener Amplituden werden die Schwingungen zumindest reduziert. Hierbei ist als Phasenverschiebung von einer halben Wellenlänge oder einem ganzzahligen Vielfachen einer halben Wellenlänge eine Phasenverschiebung im Bereich einer Toleranz von etwa 5° gemeint. Das heißt mit anderen Worten, dass eine resultierende Phasenverschiebung in einem Bereich von etwa 175° bis 185° erzeugt wird, um die resultierende Gesamtschwingung zu reduzieren. Zur Erzielung einer Auslöschung sollte die resultierende Phasenverschiebung im Bereich einer Toleranz von maximal 1° liegen.
Typischerweise enthalten die Vakuumpumpen jeweils einen Frequenzumrichter, wobei die Synchronisationsvorrichtung mit jedem Frequenzumrichter verbunden ist und über diesen die Drehfrequenz des Antriebsmotors steuert. Die Antriebsmotoren können Synchronmotoren oder Asynchronmotoren sein. Im Falle von Asynchronmotoren sind Rotorlagegeber zum Bestimmen des Phasenwinkels und der Drehzahl des asynchronen Motorrotors vorgesehen. Die Rotorlagegeber sind mit der Synchronisationsvorrichtung verbunden. Dadurch kann die Synchronisationsvorrichtung die Antriebsmotoren über die Frequenzumrichter in Abhängigkeit von der durch den Rotorlagegeber bestimmten Drehzahl und dem durch den Rotorlagegeber bestimmten Phasenwinkel steuern.
Der Hauptvorteil der Erfindung besteht darin, dass mehrere Vakuumpumpen in einem gemeinsamen Vakuumpumpensystem hart aneinander gekoppelt werden können, ohne dass unerwünschte resultierende Gesamtschwingungen, z. B. durch ein Aufschaukeln von Schwingungen, entstehen. Für den größtmöglichen Effekt der Erfindung ist es notwendig, dass die beiden Vakuumpumpen hart gekoppelt sind. Insbesondere wird durch die Erfindung ein Aneinanderkoppeln sowohl gleicher Vakuumpumpen als auch verschiedener Vakuumpumpen in einem gemeinsamen Vakuumpumpensystem ermöglicht, wobei die Ankopplung in verschiedenen Richtungen relativ zueinander erfolgen kann. Die Vakuumpumpen können in horizontaler Richtung und/oder in vertikaler Richtung aneinander gekoppelt sein.
Im Folgenden werden anhand der Figuren zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels,
2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels und
3 eine Frequenzdarstellung der Schwingungen.
1 zeigt ein Vakuumpumpensystem mit zwei Vakuumpumpen 10, die in einem gemeinsamen Gehäuse 20 enthalten und dadurch fest miteinander verkoppelt sind. Jeder der Vakuumpumpen 10 ist ein Frequenzumrichter 12 zugeordnet. Beide Frequenzumrichter 12 sind mit einer Synchronisationsvorrichtung 14 verbunden. Die beiden Vakuumpumpen 10 sind vom gleichen Typ und übereinander angeordnet, d. h. in vertikaler Richtung hart aneinander gekoppelt. Alternativ kann die mechanische Ankopplung der Pumpen in horizontaler Richtung erfolgen. Außerdem können auch Vakuumpumpen verschiedenen Typs, z. B. eine Schraubenpumpe und eine Roots-Pumpe Bestandteil des Vakuumpumpensystems sein. Bei Verwendung einer Schraubenpumpe und einer Roots-Pumpe wären die Drehrichtungen der Rotore nicht, wie in den 1 und 2 dargestellt, gleichläufig, sondern gerade gegenläufig. In jedem der genannten Fälle treten bei harter Ankopplung der Pumpen unerwünschte resultierende Gesamtschwingungen auf.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 sind die beiden Pumpen 10 von nicht dargestellten Synchronmotoren angetrieben. Bei dem Ausführungsbeispiel nach 2 sind die beiden Pumpen 10 von nicht dargestellten Asynchronmotoren angetrieben. Die asynchronmotorbetriebenen Pumpen 10 in 2 weisen einen Rotorlagegeber 16 auf, der mit einem Drehzahlsensor den Phasenwinkel und die Drehzahl ermittelt und über eine elektrische Verbindungsleitung 18 an die Synchronisationsvorrichtung 14 übermittelt.
In 3 sind die Schwingungskurvenverläufe 22 und 24 der beiden Vakuumpumpen 10 jeweils über der Frequenz aufgetragen. Die Kurve 24 der zweiten Vakuumpumpe ist durch die in den Figuren nicht dargestellte Phasenverschiebungseinrichtung gegenüber der Kurve 22 der ersten Vakuumpumpe um 180°, also um eine halbe Wellenlänge, phasenverschoben. Aufgrund der direkten Ankopplung beider Pumpen 10 aneinander, werden die Schwingungskurvenverläufe 22 und 24 einander überlagert und ergeben einen resultierenden Gesamtschwingungsverlauf 26, der aufgrund der Phasenverschiebung einen deutlich geringeren Amplitudenverlauf als die jeweiligen Einzelschwingungsverläufe 22 und 24 aufweist.
Die Erfindung besteht darin, dass die Vakuumpumpen 10 mit gleicher Nenndrehfrequenz und mit einer fest vorgegebenen Phasenverschiebung relativ zueinander betrieben werden, wobei die Phasenverschiebung an den jeweiligen Betriebsfall angepasst werden kann, um z. B. im Falle unterschiedlicher in horizontaler Richtung gekoppelter Vakuumpumpen eine resultierende Gesamtschwebung niedriger Frequenz zu erzeugen, wobei zur Erzeugung derselben resultierenden Gesamtschwebungsfrequenz für unterschiedliche Pumpentypen und bei unterschiedlichen Kopplungsrichtungen unterschiedliche Phasenverschiebungen anzuwenden sind. Das in den Figuren dargestellte Beispiel betrifft das Erzeugen einer Drehfrequenzauslöschung im Falle gleicher, in vertikaler Richtung gekoppelter Vakuumpumpen. Bei Austauschen einer der Pumpen durch eine Pumpe eines anderen Typs kann dieselbe Phasenverschiebungseinrichtung verwendet werden, um die für eine Auslöschung der Drehfrequenzen entsprechend benötigte Phasenverschiebung vorzugeben. Im Falle einer Ankopplung in horizontaler Richtung wäre wiederum eine andere Phasenverschiebung zum Erzeugen einer Drehfrequenzauslöschung erforderlich.

Claims

Schwingungsreduziereinrichtung in einem Vakuumpumpensystem mit mindestens zwei mechanisch gekoppelten Vakuumpumpen (10), aufweisend eine Synchronisationsvorrichtung (14) zum Synchronisieren der Drehfrequenz des Antriebsmotors mindestens einer Vakuumpumpe (10) auf die Nenndrehfrequenz oder ein ganzzahliges Vielfaches der Nenndrehfrequenz des Antriebsmotors der anderen Vakuumpumpe, eine Phasenverschiebungseinrichtung zum Verschieben der Phasenwinkel der synchronisierten Drehfrequenzen gegeneinander auf eine vorbestimmte Phasenverschiebung.
Schwingungsreduziereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Phasenverschiebung eine halbe Wellenlänge der Nenndrehfrequenz ist.
Schwingungsreduziereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumpumpen (10) jeweils einen Frequenzumrichter (12) aufweisen, der mit der Synchronisationsvorrichtung (14) verbunden ist.
Schwingungsreduziereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsmotoren der Vakuumpumpen (10) Synchronmotoren sind.
Schwingungsreduziereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsmotoren Asynchronmotoren sind, die jeweils einen Rotorlagegeber zum Bestimmen von Phasenwinkel und Drehzahl aufweisen, wobei jeder Rotorlagegeber mit der Synchronisationsvorrichtung (14) verbunden ist.
Verfahren zum Reduzieren von Schwingungen mindestens zweier mechanisch gekoppelter Vakuumpumpen (10), mit den Schritten: – Synchronisieren der Drehfrequenz des Antriebsmotors mindestens einer Vakuumpumpe (10) auf die Nenndrehfrequenz oder ein ganzzahliges Vielfaches der Nenndrehfrequenz des Antriebsmotors der anderen Vakuumpumpe und – Verschieben der Phasenwinkel der synchronisierten Drehfrequenzen gegeneinander auf eine vorbestimmte Phasenverschiebung.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Phasenverschiebung eine halbe Wellenlänge der Nenndrehfrequenz oder ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge der Nenndrehfrequenz ist.