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Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe, insbesondere eine Turbomolekularvakuumpumpe.
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Vakuumpumpen, wie beispielsweise Turbomolekularvakuumpumpen, weisen ein Rotorelement auf. Das Rotorelement ist beispielsweise bei Turbomolekularpumpen aus mehreren Rotorscheiben zusammengesetzt. Mit dem mindestens einen Rotorelement wirkt mindestens ein Statorelement zusammen. Bei einer Turbomolekularpumpe weist der Stator mehrere Statorscheiben auf, wobei die Rotorscheiben und Statorscheiben abwechselnd angeordnet sind. Ebenso könnte es sich bei dem Rotorelement und dem Statorelement beispielsweise auch um entsprechende Bauteile einer Holweckpumpe, einer Siegbahnpumpe etc. handeln. Das Rotorelement und das Statorelement sind in einem Pumpengehäuse angeordnet. Das Rotorelement ist mit einer Rotorwelle verbunden, die das mindestens eine Rotorelement trägt. Gegebenenfalls können die Rotorwelle und das mindestens eine Rotorelement auch einstückig ausgebildet sein. Die Rotorwelle ist in dem Gehäuse über zwei Lagerelemente drehbar gelagert. Insbesondere bei schnelldrehenden Vakuumpumpen, wie Turbomolekularpumpen, ist es bekannt als Lagerelemente elektromagnetische Lager vorzusehen. Diese haben insbesondere den Vorteil, dass kein Verschleiß auftritt und mit derartigen berührungslosen Lagern hohe Drehzahlen von insbesondere mehr als 1500 U/min realisiert werden können.
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Elektromagnetische Lager haben allerdings den Nachteil, dass die entsprechenden Spulen mit einer Steuereinrichtung verbunden sein müssen, um durch exaktes Verändern der Stromzufuhr eine hochpräzise axiale Ausrichtung zwischen dem mindestens einen Rotorelement und dem mindestens einen Statorelement zu gewährleisten.
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Ferner ist es bekannt, als Lagerelemente Permanentmagnetlager vorzusehen. Um die exakte Lage zwischen Rotorelement und Statorelement sicherzustellen, muss die relative Lage der beiden Permanentmagnete des Lagers exakt eingehalten werden. Hierzu ist es bekannt, zusätzlich zu den Lagerelementen mit der Rotorwelle einen Permanentmagneten zu verbinden. Dieser Permanentmagnet wirkt mit einem mit einer Magnetspule verbundenen Joch zusammen. Durch exaktes Bestromen der Spule, die mit einer Steuereinrichtung verbunden ist, erfolgt ein entsprechendes axiales Verschieben der Rotorwelle und somit ein axiales Verschieben der Permanentmagnete der Permanentmagnetlager. Eine derartige axiale Verschiebung der Rotorwelle führt jedoch zu einer radialen Destabilisierung. Ferner ist diese Ausgestaltung technisch aufwändig.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vakuumpumpe zu schaffen, bei der die axiale Einstellbarkeit berührungsloser Lager vereinfacht ist.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Die erfindungsgemäße Vakuumpumpe, bei der es sich insbesondere um eine schnelldrehende Vakuumpumpe wie eine Turbomolekularpumpe, handelt, weist ein Gehäuse auf, in dem mindestens ein Rotorelement und mindestens ein mit dem Rotorelement zusammenwirkendes Statorelement angeordnet ist. Ferner ist eine das mindestens eine Rotorelement tragende Rotorwelle vorgesehen, die ggf. mit einzelnen oder allen Rotorelementen einstückig ausgebildet sein kann. Die Rotorwelle ist von zwei Lagerelementen getragen.
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Hierbei können die Lagerelemente beispielsweise innerhalb einer hohlen Rotorwelle, beispielsweise einem mit dem Gehäuse verbundenen Zapfen, angeordnet sein, ebenso können die Lagerelemente auf einem Zapfen der Welle angeordnet sein und in einer entsprechenden Aufnahmevorrichtung, die mit dem Gehäuse verbunden ist, verbunden sein. Auch Kombinationen derartiger, bezogen auf die Rotorwelle, innen oder außen liegender Lagerelemente sind möglich.
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Erfindungsgemäß ist zumindest eines der Lagerelemente als Permanentmagnetlager ausgebildet. Das Permanentmagnetlager weist ein stationäres Magnetelement und ein mit der Rotorwelle verbundenes rotierendes Magnetelement auf. Zur axialen Einstellung der Lage der beiden Magnetelemente zueinander ist mit dem stationären Magnetelement eine Aktuatoreinrichtung verbunden. Mit Hilfe der Aktuatoreinrichtung kann ein axiales Verschieben des stationären Magnetelementes erfolgen. Aufgrund der wirkenden Magnetkräfte zwischen den beiden Permanentmagneten erfolgt durch das Verschieben des stationären Magnetelements auch ein Verschieben des rotierenden Magnetelements und hierdurch ein exaktes Einstellen der axialen Lage zwischen dem mindestens einen Rotorelement und dem mindestens einen Statorelement. Mit Hilfe einer derartigen Aktuatoreinrichtung, die eine axiale Verschiebung des stationären Magnetelements bewirkt, ist es auf einfache Weise möglich, die beiden Permanentmagnete exakt zueinander auszurichten. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass auch beim Verwenden von Permanentmagnetlagern kein zusätzlicher, mit einer elektromagnetischen Spule zusammenwirkender, Magnet auf der Rotorwelle angeordnet werden muss. Hierdurch kann eine kompaktere Bauweise realisiert werden. Des Weiteren hat diese Ausgestaltung den Vorteil, dass die radiale Destabilisierung deutlich geringer ist.
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Es ist ferner nicht mehr erforderlich, elektromagnetische Lager mit einer entsprechend aufwändigen Steuerung vorzusehen. Das zweite Lagerelement könnte beispielsweise als Wälzlager ausgebildet sein. Besonders bevorzugt ist es, das zweite Lagerelement ebenfalls als Permanentlager auszubilden, so dass es sich bei beiden Lagerelementen um berührungslose Lager handelt. Um eine berührungslose Lagerung des Rotors zu realisieren ist es notwendig, zumindest Kräfte oder Lage in einer Richtung zu regeln.
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Wenngleich es prinzipiell möglich ist, dass bei beiden als Permanentlager ausgebildeten Lagerelementen das stationäre Magnetelement über eine Aktuatoreinrichtung axial verschiebbar ausgebildet ist, ist es bevorzugt, dass nur bei einem Permanentmagnetlager das stationäre Magnetelement axial über eine Aktuatoreinrichtung verschiebbar ist.
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Bei der Aktuatoreinrichtung handelt es sich in bevorzugter Ausführungsform um eine elektromechanische Einrichtung. Als Aktuatoreinrichtung könnte beispielsweise ein, insbesondere fein ansteuerbarer elektrischer Linarantrieb oder dergleichen, vorgesehen sein. Ferner ist es möglich als Aktuatoreinrichtung elektromechanisch anregbare Membranen vorzusehen. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Aktuatoreinrichtung weist diese insbesondere mehrere aufeinander gestapelte Piezoelemente auf. Durch entsprechendes Ansteuern dieser Piezoelemente kann eine exakte axiale Verschiebung des stationären Magnetelements realisiert werden.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Aktuatoreinrichtung mit einer die Axialverschiebung regelnden Regel- bzw. Steuereinrichtung verbunden. Mit Hilfe der Regel-/Steuereinrichtung kann somit eine exakte axiale Verschiebung des stationären Magnetelements erfolgen. Bevorzugt ist es hierbei, dass die Regel-/Steuereinrichtung mit einer Sensoreinrichtung verbunden ist. Mit Hilfe der Sensoreinrichtung erfolgen insbesondere ein Detektieren der Lage des mindestens einen Rotorelements und/oder ein Detektieren der relativen Lage zwischen dem mindestens einen Rotorelement und dem mindestens einen Statorelement. Beispielsweise bei der Verwendung von Piezoelementen als Aktuatoreinrichtung ist es möglich, die Piezoelemente selbst als Sensoren zu nutzen, da über die Piezoelemente detektiert werden kann, ob auf diese von den Permanentmagneten Zug- oder Druckkräfte wirken. In Abhängigkeit dieser Magnetkräfte kann ein entsprechendes Ansteuern der Piezoelemente erfolgen. Unabhängig von der Verwendung von Piezoelementen als Aktuatoreinrichtung ist es bevorzugt, die Sensoreinrichtung in die Aktuatoreinrichtung zu integrieren und insbesondere die Aktuatoreinrichtung oder Elemente der Aktuatoreinrichtung selbst als Sensoren zu nutzen.
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In besonders bevorzugter Ausführungsform handelt es sich bei dem zweiten Lagerelement um ein ungeregeltes Lagerelement, wobei es insbesondere bevorzugt ist, dass dieses Lagerelement ebenfalls als Permanentmagnetlager ausgebildet ist. Hierbei ist es wiederum bevorzugt, dass die Bauteile beider als Permanentmagnetlager ausgebildeten Lagerelemente identisch sind. Hierdurch ist eine Kosteneinsparung möglich und die Montage vereinfacht.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist zumindest eines, insbesondere beide Lagerelemente innerhalb der Rotorelemente, insbesondere innerhalb der Rotorwelle angeordnet, so dass eine kompakte Bauweise möglich ist. Hierbei ist es bevorzugt, dass die stationären Bauteile der Lagerelemente, d. h. in bevorzugter Ausführungsform die beiden stationären Magnetelemente der beiden Permanentmagnetlager, jeweils auf einem Zapfen angeordnet sind. Der Zapfen ragt in die hohl ausgebildete Rotorwelle, wobei die Rotorwelle nicht durchgehend hohl ausgebildet sein muss.
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Bei der Anordnung des geregelten Lagerelements innerhalb der Rotorwelle ist es bevorzugt, dass der in die Rotorwelle ragende Zapfen mit der Aktuatoreinrichtung verbunden ist.
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Des Weiteren ist es bevorzugt, dass zumindest bei dem als Permanentmagnetlager ausgebildeten Lagerelement ein Fanglager vorgesehen ist. Bei diesem handelt es sich vorzugsweise um ein Kugellager, das nur bei der Überlastung des Magnetlagers zum Einsatz kommt. Sofern beide Lagerelemente als berührungslose Lager ausgebildet sind, ist es bevorzugt, dass im Bereich beider Lagerelemente jeweils ein Fanglager vorgesehen ist. Die axialen und radialen Richtungen können durch unterschiedliche Lager abgesichert werden.
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Nachfolgende wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
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Die Figur zeigt eine vereinfachte schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Turbomolekularpumpe.
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Die Turbomolekularpumpe weist mehrere Rotorscheiben 10 auf, die zusammen ein Rotorelement ausbilden. Die Rotorscheiben 10 sind auf einer im dargestellten Ausführungsbeispiel als zumindest teilweise hohl ausgebildeten Rotorwelle 12 angeordnet. Mit den Rotorscheiben 10 wirken Statorscheiben 14 zusammen, die ein Statorelement ausbilden. Die Rotorscheiben 10 und die Statorscheiben 14 sind in axialer Richtung abwechselnd angeordnet. Zum Antrieb des Rotorelements 10 ist mit der Welle 12 ein nicht dargestellter Elektromotor verbunden.
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Die Rotorwelle 12 könnte beispielsweise über Lagerzapfen gelagert sein. Zur Ausbildung einer kompakten Pumpe weist die Rotorwelle 12 zwei Ausnehmungen auf, in die jeweils ein Zapfen 16, 18 ragt. Zwischen den Zapfen 16, 18 und der Innenseite der zumindest teilweise hohl ausgebildeten Rotorwelle 12 ist ein erstes Lagerelement 20 und ein zweites Lagerelement 22 angeordnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei beiden Lagerelementen 20, 22 um Permanentmagnetlager. Diese weisen jeweils ein an der Innenseite der Rotorwelle 12 vorgesehenes rotierendes Magnetelement 24 und ein mit dem jeweiligen Zapfen 16, 18 verbundenes stationäres Magnetelement 26 auf. Des Weiteren sind an den jeweils innenliegenden Enden der Zapfen 16, 18 Fanglager 28 vorgesehen.
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Die beiden Enden der Zapfen 16, 18 gegenüberliegend können mit einem Innenbereich der Rotorwelle 12 stiftförmige Ansätze 29 verbunden sein. Die Stifte 29 dienen als axiale Anschläge. Die Stifte 29 können beispielsweise als Keramikstifte ausgebildet sein, denen eine harte Oberfläche der Zapfen 16, 18 gegenüberliegt.
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Der Zapfen 16 ist insbesondere mit einem die Pumpe umgebenden Gehäuse 30 verbunden. Das als Permanentmagnetlager ausgebildete Lagerelement 20 ist als ungeregeltes Lagerelement ausgebildet.
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Der Zapfen 18 ist mit einem Zwischenelement wie einer Verbindungsplatte 32 verbunden. Das Zwischenelement 32 – oder auch der Zapfen 18 unmittelbar – ist mit einer Aktuatoreinrichtung 34 verbunden. Durch die Aktuatoreinrichtung ist ein axiales Verschieben des Zapfens 18 in Richtung eines Pfeils 36 möglich. Durch die axiale Verschiebung des Zapfens 18 erfolgt ein axiales Verschieben des stationären Magnetelements 26. Hierdurch kann eine Feinjustage bzw. Ausrichtung der Lager zwischen dem Rotorelement 10 und dem Statorelement 14 erfolgen.
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Die Aktuatoreinrichtung 34 ist mit einer schematisch dargestellten Steuer-/Regeleinrichtung 38 verbunden. Mit Hilfe der Steuer-/Regeleinrichtung 38 kann ein exaktes Verschieben der stationären Magnetelemente 26 in Richtung des Pfeils 36 erfolgen. Hierzu ist es bevorzugt, dass beispielsweise über eine elektrische Leitung 40 die Steuer-/Regeleinrichtung 38 mit nicht dargestellten Sensoren verbunden ist. Bei den Sensoren handelt es sich insbesondere um Sensoren, die die relative Lage zwischen dem Statorelement 14 und dem Rotorelement 10 detektieren. Aus der Lagedetektion kann sodann mit Hilfe der Steuer-/Regeleinrichtung 38 eine entsprechend exakte Steuerung der Axialverschiebung in Richtung des Pfeils 36 vorgenommen werden.
