DE102013218220A1

DE102013218220A1 - Anordnung zur magnetischen Kopplung zweier Komponenten

Info

Publication number: DE102013218220A1
Application number: DE201310218220
Authority: DE
Inventors: Adrian Wirth; Mirko Mekota
Original assignee: Pfeiffer Vacuum GmbH
Current assignee: Pfeiffer Vacuum GmbH
Priority date: 2013-09-11
Filing date: 2013-09-11
Publication date: 2015-03-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur magnetischen Kopplung zweier Komponenten, insbesondere ein Magnetlager für eine Vakuumpumpe oder eine magnetische Kopplungsanordnung zur Aufnahme von axialen und/oder radialen magnetischen Kräften von rotierenden Komponenten einer Vakuumpumpe, mit zwei magnetisch miteinander gekoppelten Teilen, die jeweils wenigstens einen Ringstapel mit mehreren permanentmagnetischen Ringen umfassen, wobei ein Ringstapel zumindest eine Scheibe umfasst, die zwischen zwei permanentmagnetischen Ringen des Ringstapels oder an einem axialen Ende des Ringstapels angeordnet ist, wobei die Scheibe zumindest bereichsweise aus einem Material mit einer relativen magnetischen Permeabilität von wenigstens 1,1 besteht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur magnetischen Kopplung zweier Komponenten, insbesondere ein Magnetlager für eine Vakuumpumpe oder eine magnetische Kopplungsanordnung zur Aufnahme von axialen und/oder radialen magnetischen Kräften von rotierenden Komponenten einer Vakuumpumpe.
Magnetlager werden zum Beispiel in Vakuumpumpen eingesetzt, um rotierbare Komponenten der Vakuumpumpe drehbar zu lagern. Ein Magnetlager kann z.B. zur reibungsfreien und schmiermittelfreien drehbaren Lagerung eines Rotors der Vakuumpumpe dienen. Ein Magnetlager umfasst typischerweise zwei magnetisch miteinander gekoppelte Lagerteile, die jeweils wenigstens einen Ringstapel mit mehreren permanentmagnetischen Ringen umfassen.
Um die Lagersteifigkeit bzw. den magnetischen Kopplungsgrad der Anordnung an die Erfordernisse einer konkreten Anwendung anzupassen, können die Anzahl, das Material und die Geometrie der permanentmagnetischen Ringe entsprechend gewählt werden. Um eine hohe Lagersteifigkeit bzw. einen hohen magnetischen Kopplungsgrad zu erreichen, ist eine entsprechende Anzahl von permanentmagnetischen Ringen mit einer entsprechenden Stärke und Dimensionierung erforderlich. Das Bereitstellen einer Vielzahl von permanentmagnetischen Ringen mit verschiedenen Stärken und Dimensionen für verschiedene Anwendungen ist aufgrund der aufwändigen Herstellung von permanentmagnetischen Ringen mit einem hohen wirtschaftlichen Aufwand verbunden.
Außerdem ist bei bekannten Magnetlagern keine ausreichend flexible Anpassung des Kopplungsgrades des Lagers an die jeweiligen Bedürfnisse möglich, da das Verhältnis der axialen Steifigkeit (s_ax) zur radialen Steifigkeit (s_r) auch durch Variierung der geometrischen Abmessungen der Magnetringe nicht beliebig verschiebbar ist (Earnshaw Theorem).
Ein weiteres Problem stellen Beschädigungen der permanentmagnetischen Ringe dar, die durch den direkten Kontakt der permanentmagnetischen Ringe des Ringstapels miteinander hervorgerufen werden, insbesondere wenn in dem Zwischenraum zwischen den Magnetringen Späne oder andere Teile vorhanden sind, da diese aufgrund der Sprödigkeit der Magnetringe zu einer Beschädigung der Magnetringe führen können.
Zwar ist es möglich, zwischen den Magnetringen Distanzscheiben aus einem im Vergleich zu den Magnetringen weicheren Material wie zum Beispiel Aluminium vorzusehen, um die Magnetringe auf Distanz zu halten und vor einer Beschädigung durch zwischen den Ringen angeordnete Späne oder Teilchen zu schützen. Diese Maßnahme führt aber zu einer Verringerung der Lagersteifigkeit bzw. des Kopplungsgrads der Anordnung, so dass die Erzielung einer hohen Lagersteifigkeit bzw. eines hohen Kopplungsgrads nur durch eine Erhöhung der Anzahl der Magnetringe möglich ist. Durch die Hinzufügung der Distanzscheiben und ggf. der zusätzlichen Magnetringe steigt sowohl der Aufwand für die Bereitstellung der Anordnung als auch deren Raumbedarf erheblich.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Anordnung zur magnetischen Kopplung zweier Komponenten anzugeben, die mit einfachen Mitteln eine gewünschte Lagersteifigkeit bzw. einen gewünschten magnetischen Kopplungsgrad gewährleistet und auf einem geringen Bauraum realisierbar ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine flexible Anpassbarkeit der Anordnung an spezifische Bedürfnisse zu ermöglichen und dazu insbesondere das Verhältnis der axialen Steifigkeit (s_ax) zur radialen Steifigkeit (s_r) in gewissen Grenzen verschieben zu können.
Die Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Anordnung dient zur magnetischen Kopplung zweier Komponenten und ist insbesondere für eine Vakuumpumpe geeignet. Die Vorrichtung kann als Magnetlager, insbesondere für eine Vakuumpumpe, oder als magnetische Kopplungsanordnung zur Aufnahme von axialen und/oder radialen magnetischen Kräften von rotierenden Komponenten, insbesondere einer Vakuumpumpe, ausgebildet sein. Die Anordnung umfasst zwei magnetisch miteinander gekoppelte Teile, die jeweils wenigstens einen Ringstapel mit mehreren permanentmagnetischen Ringen umfassen. Ein Ringstapel umfasst ferner zumindest eine Scheibe, die zwischen zwei permanentmagnetischen Ringen des Ringstapels oder an einem axialen Ende des Ringstapels angeordnet ist, wobei die Scheibe zumindest bereichsweise, und insbesondere vollständig, aus einem Material mit einer relativen magnetischen Permeabilität µ_r von wenigstens 1,1 besteht.
In wenigstens einem der Ringstapel sind also die Magnetringe und zusätzlich die wenigstens eine Scheibe mit einer relativen magnetischen Permeabilität von wenigstens 1,1 aufeinander gestapelt. Infolge der Verwendung einer oder mehrerer zusätzlicher Scheiben aus einem Material mit einer hohen magnetischen Permeabilität µ_r von wenigstens 1,1 in dem Ringstapel lassen sich ohne übermäßigen zusätzlichen Aufwand eine gewünschte Lagersteifigkeit und ein gewünschter magnetischer Kopplungsgrad erreichen, da durch die Scheibe im Gegensatz zu der Verwendung einer Scheibe aus einem Material mit einer magnetischen Permeabilität nahe eins, wie zum Beispiel Aluminium, keine oder allenfalls eine geringe Verringerung der Lagersteifigkeit bzw. des magnetischen Kopplungsgrads hervorgerufen wird. Gleichzeitig lässt sich mit der wenigstens einen Scheibe ein wirksamer Schutz der mit der Scheibe in Kontakt stehenden Magnetringe vor Beschädigungen erreichen.
Durch eine geeignete Wahl der Anzahl, der Dicke und des Materials der einen oder mehreren Scheiben lassen sich die gewünschte Lagersteifigkeit und der gewünschte Kopplungsgrad der Anordnung erreichen, ohne dass eine Vielzahl von Magnetringen aus unterschiedlichen Materialien und mit unterschiedlichen Dimensionen bereitgestellt werden muss. Stattdessen müssen nur entsprechende Scheiben mit einer hohen relativen magnetischen Permeabilität zur Verfügung gestellt werden, welche kostengünstig verfügbar sind. Dadurch wird der Aufwand für die Herstellung einer für eine bestimmte Anwendung geeigneten Anordnung erheblich reduziert und die Beeinflussung des Quotienten aus s_r/s_ax ermöglicht.
Im Rahmen der Erfindung wurde außerdem die Erkenntnis gewonnen, dass sich durch die Verwendung von speziellen Scheiben, ausgeprägt z.B. als Zwischenlagen oder Endscheiben, mit einer hohen magnetischen Permeabilität prinzipiell nicht nur eine durch die Scheiben hervorgerufene übermäßige Verringerung der Lagersteifigkeit bzw. des Kopplungsgrads der Anordnung vermeiden lässt, sondern dass sogar eine Erhöhung der Lagersteifigkeit bzw. des Kopplungsgrads im Vergleich zu einer Anordnung ohne zusätzliche Scheiben erreichbar ist und sich das Verhältnis von s_r zu s_ax manipulieren bzw. in gewissen Grenzen verschieben lässt. Eine Verschiebung des Betrags der Steifigkeiten in Richtung axialer Steifigkeiten oder zu radialen Steifigkeiten ermöglicht eine spezifische Anpassung des Kopplungsgrades der Anordnung bzw. des Lagers an die jeweiligen Bedürfnisse.
Die Begriffe "hohe" Lagersteifigkeit und "geringe" Lagersteifigkeit nehmen stets auf den Betrag der jeweiligen radialen oder axialen Lagersteifigkeit Bezug. Da die axiale Lagersteifigkeit je nach Bauart des Lagers auch negative Zahlenwerte annehmen kann, kann eine "hohe" axiale Lagersteifigkeit folglich eine Lagersteifigkeit mit einem dem Betrage nach hohen negativen Wert bezeichnen.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und in den Figuren beschrieben.
Die Scheibe kann als Distanzscheibe bzw. Zwischenlage dienen, das heißt zwischen zwei Magnetringen des Ringstapels angeordnet sein, oder als Endscheibe, das heißt an einem axialen Ende des Ringstapels angeordnet sein. Eine zwischen zwei Magnetringen angeordnete Distanzscheibe hält die beiden zu der Distanzscheibe benachbarten Magnetringe vorzugsweise in einem bestimmten Abstand zueinander. Dadurch kann, je nach Härte des Materials, u.a. eine gegenseitige Beschädigung der Magnetringe verhindert werden.
Die Scheibe kann eine axiale Dicke aufweisen, die zwischen dem 0,01-fachen und dem 1-fachen, bevorzugt zwischen dem 0,02-fachen bis 0,5-fachen, besonders bevorzugt zwischen dem 0,05-fachen und dem 0,35-fachen und höchst bevorzugt zwischen dem 0,1-fachen und dem 0,25-fachen der Dicke zumindest eines benachbarten Magnetrings oder jedes Magnetrings des jeweiligen Stapels beträgt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Scheibe eine axiale Dicke zwischen 0,05 und 3 mm, bevorzugt zwischen 0,1 und 2 mm und besonders bevorzugt zwischen 0,1 und 1 mm auf.
Die axiale Dicke der Magnetringe kann deutlich höher sein als die Dicke der Scheibe, zum Beispiel zumindest doppelt so hoch. Die axiale Dicke der Magnetringe kann zum Beispiel zwischen 1 und 15 mm, bevorzugt zwischen 2 und 6 mm und besonders bevorzugt zwischen 3 und 4 mm betragen.
Es hat sich gezeigt, dass sich mit den oben genannten axialen Dicken und Dickenverhältnissen der Scheiben und Magnetringe eine unerwünschte Verringerung der Lagersteifigkeit bzw. des Kopplungsgrads minimieren lässt und eine Erhöhung der axialen und/oder radialen Lagersteifigkeit bzw. des Kopplungsgrads im Vergleich zu einer Anordnung ohne zusätzliche Scheiben erreichbar ist.
Die wenigstens eine Scheibe ist vorzugsweise als Ringscheibe ausgebildet. Die Scheibe kann eine radiale Breite aufweisen, die maximal so groß ist wie die radiale Breite eines Magnetrings. Der Innendurchmesser der Scheibe kann zumindest so groß sein wie der Innendurchmesser eines Magnetrings und/oder der Außendurchmesser kann maximal so groß sein wie der Außendurchmesser des Magnetrings. Die Scheibe kann so in dem Ringstapel angeordnet sein, dass sie gemeinsam mit den Magnetringen eine im Wesentlichen zylindermantelförmige Form des Ringstapels bildet und dabei vorzugsweise nicht oder nicht wesentlich in radialer Richtung über die Magnetringe übersteht.
Die Scheibe kann vollständig aus dem Material mit der hohen magnetischen Permeabilität bestehen. Besonders gute Ergebnisse werden erzielt, wenn das Material eine relative magnetische Permeabilität von wenigstens 10, bevorzugt wenigstens 100, besonders bevorzugt wenigstens 1000 und ganz besonders bevorzugt wenigstens 10000 oder wenigstens 100000 aufweist. Die verwendeten Permeabilitäten können je nach Anwendung und Optimierungsaufgabe geeignet gewählt werden. Bei Verwendung eines Materials mit einer hohen Permeabilität lassen sich die magnetischen Verhältnisse durch die Scheiben besonders stark und wirksam beeinflussen.
Bei dem Material der Scheibe kann es sich z.B. um ein paramagnetisches (µ_r > 1) oder ferromagnetisches (µ_r >> 1) Material handeln. Zu den verwendbaren ferromagnetischen Materialien zählen u.a. auch weichmagnetische Werkstoffe bzw. Materialien. Weichmagnetische Materialien sind kostengünstig verfügbar und erfüllen die magnetischen und mechanischen Funktionen der Scheibe.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Material der Scheibe ein metallisches Material, insbesondere Mu-Metall oder ein Stahl. Ein weiches metallisches Material eignet sich besonders, um die mit der Scheibe in Kontakt stehenden ein oder mehreren Magnetringe vor Beschädigungen zu schützen. Mu-Metall weist darüber hinaus eine besonders hohe magnetische Permeabilität auf und führt zu einer hohen Lagersteifigkeit und einem hohen magnetischen Kopplungsgrad der Anordnung. Bei dem Stahl kann es sich zum Beispiel um einen rostfreien Stahl handeln.
Zumindest eine oder jede Scheiben kann als von den Magnetringen unabhängiges separates Teil ausgebildet sein. Dies ist aber nicht zwingend erforderlich. Zumindest eine oder jede Scheibe kann mit zumindest einem benachbarten Magnetring zusammenhängend bzw. fest verbunden ausgebildet sein und folglich mechanisch betrachtet Teil des Magnetrings bzw. der Magnetringe sein. Die jeweilige Scheibe kann während des Herstellungsprozesses der Magnetringe auf diese permanent aufgebracht werden.
Die Magnetringe weisen jeweils ein von dem Material der Scheibe verschiedenes dauermagnetisches Material auf. Beispielsweise kann zumindest einer und insbesondere jeder Magnetring ein keramisches oder metallisches dauermagnetisches Material umfassen oder daraus bestehen. Das Material der Magnetringe kann zum Beispiel Samarium-Cobalt, Neodym-Eisen-Bor oder ein Ferrit, insbesondere ein Ferrit auf Strontiumferrit-Basis oder auf Bariumferrit-Basis, oder eine Kombination dieser Materialien sein.
Die Anordnung kann eine betragsmäßig höhere axiale und/oder radiale Lagersteifigkeit aufweisen als eine entsprechende Anordnung mit Ringstapeln ohne zusätzliche Scheiben. Dies kann zum Beispiel durch eine entsprechende Wahl des Materials und/oder der Dicke der wenigstens einen Scheibe erreicht werden, wobei vorstehend geeignete Materialen und Scheibendicken beschrieben sind. Die entsprechende Anordnung ohne zusätzliche Scheiben zeichnet sich dadurch aus, dass die Ringstapel keine zusätzlichen Scheiben gemäß der vorliegenden Beschreibung aufweisen und stattdessen die Magnetringe unmittelbar aufeinandergestapelt sind. Ansonsten entsprechen sich die Anordnungen, insbesondere hinsichtlich des Materials und der Geometrie der Magnetringe sowie der gegenseitigen relativen Anordnung einander gegenüberliegender Magnetringe verschiedener Ringstapel.
Sind in einer Anordnung mehrere Scheiben vorgesehen, können diese prinzipiell aus dem gleichen Material oder aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Sich rotor- und statorseitig gegenüberliegende Scheiben können dementsprechend aus dem gleichen Material oder aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
Die Anordnung mit den ein oder mehreren zusätzlichen Scheiben, die insbesondere Zwischenlagen bilden, kann eine betragsmäßig um zumindest 2 %, bevorzugt zumindest 4 %, besonders bevorzugt zumindest 7 % und höchst bevorzugt zumindest 10 % und/oder um bis zu 12 % höhere axiale Lagersteifigkeit aufweisen als die entsprechende Anordnung ohne Scheiben. Die Scheiben, insbesondere als Zwischenlagen ausgeprägt, können weiterhin die Axialsteifigkeit des Lagers betragsmäßig um zumindest 4 %, bevorzugt zumindest 8 %, besonders bevorzugt zumindest 12 % und höchst bevorzugt zumindest 12 % und/oder um bis zu 20 % gegenüber dem Einsatz von gleichdicken Aluminiumscheiben verstärken. Zusätzliche Scheiben, insbesondere ausgeprägt als Endscheiben an ein oder mehreren axialen Enden des rotorseitigen oder statorseitigen Ringstapels, können zu einer Erhöhung der Radialsteifigkeit von mehreren Prozent führen. Alle quantitativen Angaben der Effektstärke beziehen sich insbesondere auf die Ausprägung der Anordnung als Magnetlager, welches beispielsweise in der in 1 gezeigten Weise ausgebildet sein kann.
Die Lagersteifigkeit ist ein Maß für die Belastbarkeit und Zuverlässigkeit der Lagerung, wenn die Anordnung als Magnetlager ausgebildet ist. Ferner bestimmt die Kopplungsstärke auch die Eigenresonanz der Anordnung, so dass diese mit der hier beschriebenen Lösung ebenfalls variiert werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfassen die Ringstapel jeweils mehrere Scheiben, die jeweils zwischen zwei permanentmagnetischen Ringen des jeweiligen Ringstapels oder an einem axialen Ende des jeweiligen Ringstapels angeordnet sind, wobei die Scheiben jeweils zumindest bereichsweise aus einem Material mit einer relativen magnetischen Permeabilität von wenigstens 1,1 bestehen. Mit mehreren Scheiben lassen sich die Eigenschaften der Anordnung besonders wirksam verbessern. Die Scheiben können im Hinblick auf ihre Geometrie, ihr Material und ihre Anordnung jeweils gemäß den vorstehend in Bezug auf die wenigstens eine Scheibe beschriebenen vorteilhaften Ausführungsformen ausgebildet sein.
Gemäß einer Ausführungsform weist ein Ringstapel oder jeder Ringstapel zwischen jedem Paar von zueinander benachbarten Magnetringen des Ringstapels und/oder an jedem axialen Ende des Ringstapels eine Scheibe gemäß der vorstehenden Beschreibung auf. Dadurch werden alle Magnetringe wirksam vor Beschädigungen geschützt und es wird eine hohe Lagersteifigkeit erreicht.
Bevorzugt sind die Ringstapel der beiden Anordnungsteile bzw. -hälften ineinander angeordnet, wobei zwischen den Ringstapeln ein radialer Spalt ausgebildet ist. Die Ringstapel sind vorzugsweise im Wesentlichen koaxial und konzentrisch zueinander angeordnet. Dabei stehen radiale Mantelflächen der Magnetringe und der zusätzlichen Scheiben eines Ringstapels radialen Mantelflächen der Magnetringe und der zusätzlichen Scheiben des anderen Ringstapels in radialer Richtung gegenüber und weisen zu diesen Mantelflächen hin. Bei dieser Ausgestaltung wird über den radialen Spalt eine besonders starke magnetische Kopplung der beiden Teile bzw. Hälften erreicht.
Die Ringstapel der beiden Anordnungsteile bzw. -hälften können zueinander symmetrisch aufgebaut sein. Gemäß einer Ausführungsform sind die Ringstapel so ausgebildet und angeordnet, dass eine Scheibe eines Ringstapels jeweils einer Scheibe des anderen Ringstapels in radialer Richtung gegenüberliegt und dass ein permanentmagnetischer Ring eines Ringstapels jeweils einem permanentmagnetischen Ring des anderen Ringstapels in radialer Richtung gegenüberliegt. Die Ringstapel können vollständig aus Paaren von einander in radialer Richtung gegenüberliegenden Scheiben und Paaren von einander in radialer Richtung gegenüberliegenden permanentmagnetischen Magnetringen der Ringstapel gebildet sein.
Die permanentmagnetischen Ringe sind vorzugsweise in axialer Richtung magnetisiert. Die permanentmagnetischen Ringe können über ihren gesamten Umfang hinweg eine in derselben, insbesondere axialen, Richtung orientierte magnetische Polarität aufweisen.
Vorzugsweise umfassen die Ringstapel einander in radialer Richtung gegenüberliegende Magnetringe, die eine in dieselbe, insbesondere axiale, Richtung weisende magnetische Polarität aufweisen. Bei dieser Polarität werden zwischen den Magnetringen starke magnetische Abstoßungskräfte erzeugt. Auf diese Weise kann z.B. ein repulsives Permanentmagnetlager mit einer hohen Lagersteifigkeit geschaffen werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weisen die permanentmagnetischen Ringe zumindest eines Ringstapels eine in axialer Richtung von Ring zu Ring abwechselnde magnetische Polarität auf. Dadurch wird eine besonders starke magnetische Wechselwirkung zwischen den Ringstapeln erreicht.
Die Magnetringe und Scheiben eines Ringstapels und insbesondere beider Ringstapel können in axialer Richtung zusammengehalten und insbesondere miteinander verspannt sein. Die Magnetringe und/oder Scheiben eines Ringstapels und insbesondere beider Ringstapel können in radialer Richtung nach innen oder außen hin durch einen Tragabschnitt des jeweiligen Anordnungsteils abgestützt sein, der die bei einer Rotation der Anordnung auftretenden Fliehkräfte zumindest teilweise aufnimmt.
Bei der Anordnung kann es sich um ein Permanentmagnetlager handeln, wobei ein Teil der Anordnung ein rotorseitiger Lagerteil und der andere Teil der Anordnung ein statorseitiger Lagerteil des Permanentmagnetlagers ist. Das Permanentlager ist vorzugsweise als Radiallager ausgebildet und bewirkt eine rotierbare Lagerung des rotorseitigen Lagerteils gegenüber dem statorseitigen Lagerteil.
Die Anordnung kann Teil einer Vakuumpumpe sein. Die Erfindung betrifft dementsprechend auch eine Vakuumpumpe mit einer Anordnung zur magnetischen Kopplung gemäß der vorliegenden Beschreibung. Bei der Vakuumpumpe kann es sich zum Beispiel um eine Turbomolekularpumpe, eine Drehschieberpumpe oder eine Wälzkolbenpumpe handeln.
Die Anordnung ist vorzugsweise als Permanentmagnetlager ausgebildet, welche zur drehbaren Lagerung des Rotors gegenüber dem Stator der Vakuumpumpe dient. Das Magnetlager kann zur hochvakuumseitigen Lagerung vorgesehen sein. Durch die Magnetlagerung wird eine reibungsfreie und verschmutzungsfreie Lagerung erreicht.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand vorteilhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:
1 einen Ausschnitt einer Vakuumpumpe mit einem Permanentmagnetlager gemäß einer Ausführungsform der Erfindung im Querschnitt, und
2 zwei Ringstapel einer Anordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung im Querschnitt.
1 zeigt eine Vakuumpumpe mit einem Permanentmagnetlager in einer geschnittenen Darstellung. Ein Rotor 10 der Vakuumpumpe ist durch das Permanentmagnetlager gegenüber einem Stator 12 um eine Rotationsachse 32 drehbar gelagert.
Das Lager weist einen rotorseitigen Lagerteil 14 und einen statorseitigen Lagerteil 16 auf, die jeweils einen Ringstapel 18, 20 umfassen. Zur Bildung der Ringstapel 18, 20 sind mehrere Magnetringe 22, 24 und zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Magnetringen 22, 24 angeordnete und diese auf Distanz haltende Distanzscheiben 26, 28 aus einem Material mit einer hohen relativen magnetischen Permeabilität aufeinander gestapelt. Zusätzlich können die Ringstapel 18, 20 jeweils an ihrem oberen und/oder unteren axialen Ende eine den Distanzscheiben 26, 28 entsprechende Endscheibe umfassen.
Wie in 1 gezeigt, weisen die Distanzscheiben 26, 28 einen Außen- und Innendurchmesser auf, der jeweils im Wesentlichen dem Außen- bzw. Innendurchmesser der Magnetringe 22, 24 des jeweiligen Ringstapels 18, 20 entspricht, so dass jeder Ringstapel 18, 20 eine im Wesentlichen zylindermantelförmige Form mit einem im Wesentlichen konstanten Außen- und Innendurchmesser aufweist.
Während die Breite der Distanzscheiben 26, 28 folglich im Wesentlichen der Breite der Magnetringe 22, 24 entspricht, weisen die Distanzscheiben 26, 28 eine Dicke auf, die deutlich geringer ist als die Dicke der Magnetringe 22, 24.
Die Ringstapel 18, 20 sind im Wesentlichen koaxial und konzentrisch ineinander angeordnet, so dass zwischen den Ringstapeln 18, 20 ein radialer Spalt 30 ausgebildet ist, über den sich die Ringstapel 18, 20 gegenseitig magnetisch beeinflussen. Dabei liegt jeweils ein Magnetring 22 des rotorseitigen Lagerteils 14 einem Magnetring 24 des statorseitigen Lagerteils 16 in radialer Richtung gegenüber und eine Distanzscheibe 26 des rotorseitigen Lagerteils 14 liegt jeweils einer Distanzscheibe 28 des statorseitigen Lagerteils 16 in radialer Richtung gegenüber.
Die Ringstapel 18, 20 sind jeweils von einem Trägerabschnitt 34, 36 des Rotors 10 bzw. Stators 12 getragen, welcher den jeweiligen Ringstapel 18 bzw. 20 in radialer Richtung unterstützt. Der rotorseitige Ringstapel 18 bildet den äußeren der beiden Ringstapel 18, 20 und wird durch den Trägerabschnitt 34 des Rotors 10 in radialer Richtung nach außen hin unterstützt, so dass die bei dem Betrieb der Vakuumpumpe auf den rotorseitigen Ringstapel 18 einwirkenden Zentrifugalkräfte unmittelbar durch den Trägerabschnitt 34 aufgenommen werden.
Die Ringstapel 18, 20 sind jeweils in axialer Richtung eingespannt und dadurch fixiert. Der Rotor 10 weist dazu einen Schulterabschnitt 38 auf, der den Ringstapel 18 in der einen Richtung unterstützt. In der entgegen gesetzten Richtung ist der Ringstapel 18 durch ein auf den Trägerabschnitt 34 des Rotors 10 aufschraubbares Deckelelement 40 fixiert. Der statorseitige Ringstapel 20 ist in der einen Richtung durch ein auf den Trägerabschnitt 36 aufgeschraubtes Stützelement 42 und in der entgegengesetzten Richtung durch ein auf den Trägerabschnitt 36 aufschraubbares Deckelelement 44 fixiert.
Die in dem Lagerspalt 30 vorhandenen, von den Ringstapeln 18, 20 verursachten magnetischen Felder bewirken abstoßende Lagerkräfte zwischen dem rotorseitigen und dem statorseitigen Lagerteil 14, 16.
Einander in radialer Richtung gegenüberliegende Magnetringe 22, 24 weisen dazu jeweils eine in derselben Richtung parallel zu der Rotationsachse 32 gerichtete magnetische Polarität auf und stoßen einander ab. Die Magnetringe 22, 24 eines Ringstapels 18, 20 weisen eine in axialer Richtung von Magnetring 22, 24 zu Magnetring 22, 24 abwechselnde axiale Polarität auf, so dass auf einen in axialer Richtung nach oben polarisierten Magnetring 22, 24 ein in axialer Richtung nach unten polarisierter Magnetring 22, 24 folgt und so weiter.
Die Vakuumpumpe weist zusätzlich ein Fanglager 46 auf, welches im normalen Betrieb der Vakuumpumpe ohne Berührung des Rotors ruht und erst bei einer übermäßigen radialen Auslenkung des Rotors 10 relativ zu dem Stator 12 in Eingriff gelangt, um einen radialen Anschlag für den Rotor 10 zu bilden, der eine Kollision der Ringstapel 18, 20 verhindert. Die radiale Auslenkung, bei der das Fanglager 46 in Eingriff gelangt, ist groß genug bemessen, so dass das Fanglager 46 im normalen Betrieb der Vakuumpumpe nicht in Eingriff gelangt, und gleichzeitig klein genug, so dass eine Kollision der Ringstapel 18, 20 unter allen Umständen vermieden wird.
2 zeigt die Ringstapel 18, 20 einer Anordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung im Querschnitt. Die Ausgestaltung und Anordnung der Ringstapel 18, 20 entspricht der vorstehend in Bezug auf 1 beschriebenen Ausführungsform. Es sind deutlich die zwischen den Magnetringen 22, 24 angeordneten und diese auf Distanz haltenden Distanzscheiben 26, 28 zu sehen.
Bezugszeichenliste

10: Rotor
12: Stator
14, 16: Lagerteil
18, 20: Ringstapel
22, 24: permanentmagnetischer Ring
26, 28: Distanzscheibe
30: Spalt
32: Rotationsachse
34, 36: Trägerabschnitt
38: Schulterabschnitt
40: Deckelelement
42: Stützelement
44: Deckelelement
46: Fanglager

Claims

Anordnung zur magnetischen Kopplung zweier Komponenten (10, 12), insbesondere Magnetlager für eine Vakuumpumpe oder magnetische Kopplungsanordnung zur Aufnahme von axialen und/oder radialen magnetischen Kräften von rotierenden Komponenten einer Vakuumpumpe, mit zwei magnetisch miteinander gekoppelten Teilen (14, 16), die jeweils wenigstens einen Ringstapel (18, 20) mit mehreren permanentmagnetischen Ringen (22, 24) umfassen, wobei ein Ringstapel (18, 20) zumindest eine Scheibe (26, 28) umfasst, die zwischen zwei permanentmagnetischen Ringen (22, 24) des Ringstapels (18, 20) oder an einem axialen Ende des Ringstapels (18, 20) angeordnet ist, wobei die Scheibe (26, 28) zumindest bereichsweise aus einem Material mit einer relativen magnetischen Permeabilität von wenigstens 1,1 besteht.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe (26, 28) eine axiale Dicke zwischen 0,05 und 3 mm, bevorzugt zwischen 0,1 und 2 mm und besonders bevorzugt zwischen 0,1 und 1 mm aufweist.
Anordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Scheibe (26, 28) ein ferromagnetisches Material ist.
Anordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Scheibe (26, 28) ein metallisches Material, insbesondere ein Mu-Metall oder ein Stahl, ist.
Anordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe (26, 28) als von den permanentmagnetischen Ringen (22, 24) separates Teil ausgebildet ist, oder dass die Scheibe (26, 28) mit einem benachbarten Magnetring (22, 24) zusammenhängend ausgebildet ist.
Anordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag der axialen und/oder radialen Lagersteifigkeit der Anordnung größer ist als der Betrag der entsprechenden axialen und/oder radialen Lagersteifigkeit einer entsprechenden Anordnung ohne zusätzliche Scheiben.
Anordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringstapel (18, 20) jeweils mehrere Scheiben (26, 28) umfassen, die jeweils zwischen zwei permanentmagnetischen Ringen (22, 24) des Ringstapels (18, 20) oder an einem axialen Ende des Ringstapels (18, 20) angeordnet sind, wobei die Scheiben (26, 28) zumindest bereichsweise aus einem Material mit einer relativen magnetischen Permeabilität von wenigstens 1,1 bestehen.
Anordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringstapel (18, 20) ineinander angeordnet sind und zwischen den Ringstapeln (18, 20) ein radialer Spalt (30) ausgebildet ist.
Anordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringstapel (18, 20) so ausgebildet und angeordnet sind, dass eine Scheibe (26, 28) eines Ringstapels (18, 20) jeweils einer Scheibe (28, 26) des anderen Ringstapels (20, 18) in radialer Richtung gegenüberliegt und dass ein permanentmagnetischer Ring (22, 24) eines Ringstapels (18, 20) jeweils einem permanentmagnetischen Ring (24, 22) des anderen Ringstapels (20, 18) in radialer Richtung gegenüberliegt.
Anordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung ein Permanentmagnetlager mit einem rotorseitigen Lagerteil (14) und einem statorseitigen Lagerteil (16) ist.
Anordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung Teil einer Vakuumpumpe ist.