DE1628352C - Elektrischer Antrieb für Vakuumpumpen, insbesondere für Turbomolekularpumpen - Google Patents

Description

Zungen der den Motor speisenden Netzspannung gerechnet werden muß, so können stärkere Spannungserhöhungen zu einer unzulässigen Zunahme der Pumpendrehzahl führen. Um dies zu vermeiden, kann man den Transistoren bzw. ihren Vortransistoren die Netzspannung 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 folgenden an Hand der Zeichnung beschrieben, in dieser zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine Turbomolekularpumpe in schematischer Darstellung mit einem Antrieb gemäß der Erfindung,

F i g. 2 eine schematische Ansicht des Rotors und des Stators des elektrischen Antriebsmotors,

F i g. 3 eine schematische Ansicht des Generators für die Erzeugung der Steuerspannungen und

F i g. 4 ein schematisches Schaltbild der Steuerung des Gleichstrommotors.

Die in F i g. 1 gezeigte Turbomolekularpumpe ist als solche bekannt, sie ist daher nur schematisch dargestellt. Ihr rotierender Teil besteht aus einer Welle 1, die über Lager 2 in Stirnwänden 3 und 4 des Pumpengehäuses 5 gelagert ist.

Die Welle 1 hat auf jeder Seite einen Lagerzapfen 16 bzw. 17. Auf dem Zapfen 16 sitzt ein aus einem permanenten Magneten bestehender Rotor 18 des elektrischen Antriebsmotors. Ein zum Motor gehöriges 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 bestehenden Haube liegt im Luftspalt zwischen dem Rotor 18 und dem Statorpaket 19. Dieses Paket ist an der Stirnwand 3 befestigt.

Auf dem Lagerzapfen 17 ist ein permanentmagnetischer Rotor 22 eines Steuergenerators befestigt, der ebenfalls von einer Haube 23 umschlossen ist. Sein 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, Transistoren, die zur Steuerung der in F i g. 2 dargestellten Wicklungen des Antriebsmotors dienen.

In F i g. 2 ist das Statorpaket 19 schematisch dargestellt. Das Paket trägt vier Wicklungen 27 bis 30, die in üblicher Weise in Nuten des Statorpaketes untergebracht sind. Der Einfachheit halber sind nur vier Nuten 31 bis 34 dargestellt. Die Wicklungen 27 und 29 einerseits und die Wicklungen 28 und 30 andererseits 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 Wirkungen auf. Die nachfolgend beschriebene Steuerung der Ströme in den genannten Wicklungen 27 bis 30 geschieht so, daß ohne Steuerung alle Wicklungen den gleichen Strom führen, sich also in ihrer magnetischen Wirkung aufheben, und daß beim Einsetzen der Steuerung der Strom in einer der beiden zusammengehörigen Wicklungen, z. B. in der Wicklung 27, abnimmt, d.h. auf Null zurückgeht, während der Strom der anderen Wicklung, also in 29, zunimmt, so daß zusammen mit dem Magnetfeld des Rotors 18 ein Drehmoment gebildet wird.

Die Steuerung des Stromes in den Wicklungen geschieht in bekannter Weise mittels Transistoren, die ihrerseits durch Hallgeneratoren gesteuert werden. Diese mit 35 und 36 bezeichneten Hallgeneratoren sind in dem Statorpaket 24 des Steuergenerators untergebracht, wie dies F i g. 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 die Hallgeneratoren 35 und 36, und zwar um 90° gegeneinander versetzt, da es sich um eine zweipolige Maschine handelt. Das Statorpaket bildet wieder schematisch vier Nuten 38 bis 41, in denen vier Steuerwicklungen 42 bis 45 untergebracht sind, d. h. Wicklungen, in denen zusätzliche Steuerspannungen erzeugt werden, die mit den Spannungen der Hallgeneratoren 35 und 36 in Reihe geschaltet 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 F i g. 4 dargestellten Schaltbild. Wie F i g. 4 zeigt, liegen die vier Wicklungen 27 bis 30 parallel zu Netzklemmen 54, 55. Jede Wicklung wird von einem der Transistoren 50 bis 53 gesteuert. Die Transistoren erhalten ihre Steuerspannung über Vortransistoren 46 bis 49 von Klemmen 56, 57 einer Hilfsspannung. Gesteuert werden die Vortransistoren 46 bis 49 von den beiden Hallgeneratoren 35 und 36. Die Hallgeneratoren liegen wie üblich an einer Gleichspannung. Die im Hallgenerator erzeugte Spannung liegt zwischen 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 61 keine Spannung besteht, ist die Schaltung so ausgelegt, daß die 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 phasenverschoben. Ist die erzeugte Spannung beispielsweise in der Klemme 58 postitiv, so wird der Vortransistor 49 und damit auch der Transistor 53 aufgesteuert, dagegen der Vortransistor 48 und der Transistor 51 heruntergesteuert, d.h., der Strom in der Wicklung28 nimmt zu und in der Wicklung 30 ab. Das gleiche gilt für die Vortransistoren 46 und 47 und die Transistoren 50 und 52. In den Steuerwicklungen 43 und 45 werden Wechselpannungen erzeugt, die in Phase mit der Spannung des Hallgenerators 35, aber einander entgegengesetzt gerichtet sind, ebenso in den Steuerwicklungen 42 und 44 Wechselspannungen, die gleichphasig mit der Spannung des Hallgenerators 36 und einander entgegengesetzt gerichtet sind.

Die Spannungen der Steuerwicklungen addieren sich also zu der Spannung des zugehörigen Hallgenerators und bewirken eine stärkere Aufsteuerung bzw. Herabsteuerung der Vortransistoren 46 bis 49.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1 2 Beim Antrieb von Vakuumpumpen, die mit Dreh-Palentansprüche: zahlen von 30 000 Umdrehungen in der Minute und darüber laufen, ist die Nennleistung im Betrieb der

1. Elektrischer Antrieb für Vakuumpumpen, Pumpe und damit der Ankerstrom sehr gering, da insbesondere für Turbomolekularpumpen, beste- 5 praktisch nur die Reibungsverluste der Pumpe und hend aus einem kollektorlosen Gleichstrommotor des Motors aufzubringen sind. Die Transistoren mit einem permanentmagnetischen Rotor und könnten also an sich sehr klein bemessen sein, aber einem Stator, auf dem Wicklungen angeordnet die genannten Pumpen, insbesondere die Turbosind, die durch Transistoren mit oder ohne Vor- molekularpumpen, haben eine sehr lange Anlauftransistoren in Abhängigkeit von der Rotordreh- io zeit, so daß die Verlustleistung in den Transistoren stellung an eine Gleichspannungsquelle schaltbar einmal groß und zum anderen lang andauernd wird, sind, welche Rotordrchstellung von Hallgenera- Man braucht also Transistoren für hohe Verlustleitoren erfaßt ist, die in dem Magnetfeld des Mo- stung, wenn man einen kollektorlosen Motor zum tors oder in einem sich in gleicher Weise ändern- Antrieb von Vakuumpumpen einsetzen will, was aus den Magnetfeld angeordnet sind und die die 15 mehreren Gründen vorteilhaft ist.

Transistoren oder die Vortransistoren aussteu- Aufgabe der Erfindung ist, die Anlaufzeit des Anern, dadurch gekennzeichnet, daß den triebs herabzusetzen, um mit relativ kleinen Transi-Transistoren (50 bis 53) bzw. den Vortransisto- stören auskommen zu können. Zur Lösung dieser ren (46 bis 49) zusätzliche Steuerspannungen zu- Aufgabe wird ein Antrieb der eingangs genannten Art führbar sind, die gleichphasig zu der Hallspan- 20 erfindungsgemäß so ausgebildet, daß den Transistonung des dem jeweiligen Transistor bzw. Vor- rcn bzw. den Vortransistoren zusätzliche Steuerspantransistor zugeordneten Hallgenerators ist und nungen zuführbar sind, die gleichphasig zu der HaII-deren Größe proportional mit der Drehzahl des spannung des dem jeweiligen Transistor bzw. VorMotors steigt. transistor zugeordneten Hallgenerators ist und deren

2. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 1 mit 25 Größe proportional mit der Drehzahl des Motors einem mit dem kollektorlosen Gleichstrommotor steigt. Das bedeutet, daß der Motorstrom mit wachverbundenen Steuergencrator zur Erfassung der sender Drehzahl zunimmt, die Verlustleistung der Rotordrehstellung, dessen Rotor permanentmag- Transistoren aber gleich bleibt. Man erhält so ein mit netisch ist und in dessen Stator die Hallgenerato- der Drehzahl wachsendes Beschleunigungsmoment, ren angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, 30 wodurch die Hochlaufzeit der Pumpe auf einige wedaß in dem Stator die zusätzlichen Steuerspan- nige Minuten beschränkt werden kann.

nungen erzeugende Steuerwicklungen (42 bis 45) Die Transistoren werden, wie erwähnt, von Hallangeordnet sind. sonden gesteuert, in denen beim Umlauf des Rotors

eine Wechselspannung erzeugt wird, deren Ampli-

35 tude begrenzt ist. Die erfindungsgemäß in Reihe mit

den Hallsonden geschalteten Steuerwicklungen werden entweder im Stator des kollektorlosen Gleich-

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen strommotors oder in einem zweiten, gleichfalls kol-

Antrieb für Vakuumpumpen, insbesondere für Tür- lektorlosen Generator angeordnet, so daß in ihnen

bomolekularpumpen, bestehend aus einem kollektor- 40 Wechselspannungen erzeugt werden, die mit den

losen Gleichstrommotor mit einem permanentmagne- Wechselspannungen der Hallsonden synchron sind

tischen Rotor und einem Stator, auf dem Wicklungen und deren Größe proportional der Drehzahl des

angeordnet sind, die durch Transistoren mit oder Gleichstrommotors ist. Den einzelnen Transistoren

ohne Vortransistoren in Abhängigkeit von der Ro- wird dann jeweils die Summe der Wechselspannung

tordrehstellung an eine Gleichspannungsquelle 45 einer Hallsonde und einer Steuerwicklung mit der

schaltbar sind, weiche Rotordrehstellung von Hall- Wirkung zugeführt, daß der zugehörige Transistor

generatoren erfaßt ist, die in dem Magnetfeld des einen wachsenden Strom zu den Statorwicklungen

Motors oder in einem sich in gleicher Weise ändern- des Antriebsmotors durchläßt, d. h., das Beschleuni-

den Magnetfeld angeordnet sind und die die Transi- gungsmoment des Motors nimmt mit wachsender

stören oder die Vortransistoren aussteuern. Derartige 50 Drehzahl zu, ohne daß sich die Verlustleistung in

elektrische Antriebe sind aus den deutschen Auslege- den Transistoren erhöht.

Schriften 1 247 453 und 1 247 454 bekannt. Erreicht der Antriebsmotor eine Drehzahl, die an-Bei kollektorlosen Motoren, bei denen die Wick- genähert seiner Betriebsdrehzahl entspricht, so wird lungen durch Transistoren gesteuert werden, müssen wie bei jedem Gleichstrommotor in den Statorwickdiese nach der größten im Betrieb auftretenden Vcr- 55 lungen des kollektorlosen Motors eine Gegenspanlustleistung bemessen werden. Die Verlustleistung ist nung erzeugt, die der Betriebsspannung annähernd üblicherweise durch den Nennstrom und durch den gleich ist. Mit abnehmender Differenz dieser beiden Spannungsabfall bestimmt, der auf den Transistor Spannungen nimmt aber der Ankerstrom ab, d.h., entfällt. Der Spannungsabfall ist bei normalem Be- der Motor kann seine Betriebsdrehzahl nicht übertrieb des Motors gering, da die vom Motor erzeugte 60 schreiten. Damit ist auch die Spannung in den Steu-Gegenspannung angenähert der angelegten Spannung erwicklungen auf einen bestimmten Wert begrenzt, entspricht. Das gilt aber nicht für den Anlauf des Die Stromaufnahme des Motors im Betrieb richtet sich Motors, da hier eine Gegenspannung erst proportio- dann nicht mehr nach der Steuerspannung des Transinai mit der wachsenden Drehzahl entsteht, d. h., die stors bzw. der Hallgeneratoren, sondern nach dem jebeim Anlauf auftretende Verlustleistung ist sehr 65 weils von der Pumpe geforderten Drehmoment, das, hoch. Dies bedingt aber noch nicht eine nennens- wie erwähnt, gering ist und im wesentlichen den Reiwerte Vergrößerung der Transistoren, da üblicher- bungsverlusten der Lager in der Pumpe entspricht, weise die Anlaufzeit sehr kurz ist. Wenn im Betrieb mit größeren Spannungsschwan-