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Die Erfindung betrifft eine von einem Synchron-Reluktanzmotor angetriebene Vakuumpumpe.
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Vakuumpumpen weisen mindestens eine, in einem Pumpengehäuse angeordnete von Lagerelementen getragene Rotorwelle auf. Die Rotorwelle trägt einen Rotor. Dieser weist mindestens ein Rotorelement auf, welches beispielsweise als Wälzkolben oder Schraube ausgebildet sein kann. Dabei wird die Rotorwelle von einem Elektromotor angetrieben, um den Rotor in Drehung zu versetzen und ein Fördermedium vom Einlass durch einen Schöpfraum, in dem die Rotorelemente angeordnet sind, zu einem Auslass zu befördern. Üblicherweise werden als Elektromotor Asynchronmotoren verwendet. Diese weisen jedoch im Verhältnis hohe Verluste im Rotor auf, sowie eine geringe Energieeffizienz.
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Aus
DE 20 2014 009 226 U1 ist es bekannt, einen Synchron-Reluktanzmotor zum Antrieb der Rotorwelle einer Vakuumpumpe zu verwenden, um die elektrische Verlustleistung gegenüber einem herkömmlichen asynchron motorischen Antrieb zu reduzieren. Der Synchron-Reluktanzmotor besitzt jedoch den Nachteil, dass er nicht an einem Versorgungsspannungsnetz anläuft und deshalb immer mit einem Frequenzumrichter betrieben werden muss, was zu weiteren Verlusten führt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vakuumpumpe zu schaffen, die kostengünstig herstellbar ist und eine hohe Effizienz aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vakuumpumpe mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
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Die Vakuumpumpe weist mindestens eine Rotorwelle auf, welche ein in einem Schöpfraum angeordnetes Rotorelement trägt. Die Rotorwelle wird durch einen Synchron-Reluktanzmotor angetrieben, der erfindungsgemäß einen Kurzschlussläuferkäfig zum Anlaufen des Motors und des Rotors aufweist. Durch die Rotorelemente wird ein Fördermedium vom Einlass durch den Schöpfraum zu einem Auslass befördert, wobei ein Vakuum von insbesondere mindestens 10–3 mbar, bevorzugt mindestens 10–5 mbar und besonders bevorzugt mindestens 10–7 mbar erzeugt wird. Falls es sich bei der Vakuumpumpe um eine Turbomolekularpumpe handelt, kann ein Druck von 10–10 mbar oder darunter erzeugt werden. Der erfindungsgemäße Kurzschlussläuferanlaufkäfig ermöglicht ein Anlaufen des Motors am Versorgungsspannungsnetz, während bei synchronem Betrieb aufgrund des stehenden Magnetfeldes keine Stromverluste im Rotor mehr anfallen. Die Rotorverluste werden somit im Vergleich zu Asynchronmaschinen um circa 75% bei vergleichbaren Herstellungskosten reduziert.
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Der Elektromotor weist erfindungsgemäß als Synchron-Reluktanzmotor einen Stator auf, sowie einen Läufer, der mit der Rotorwelle verbunden ist. Der Stator des Synchron-Reluktanzmotors weist einen gleichen Aufbau auf wie übliche Asynchron-Motoren, bei denen eine Vielzahl an Polen ausgebildet sind durch verteilte Wicklungen. Durch diese wird ein sich wechselndes Magnetfeld erzeugt. Der Läufer ist zur Vermeidung von Wirbelströmen insbesondere als Blechpaket aus Elektroblechen ausgeführt. Dabei weist der Läufer radiale Vorzugsrichtungen für den magnetischen Fluss auf. Der Läufer richtet sich dabei im Magnetfeld des Stators derart aus, dass der magnetische Fluss maximal wird. Durch das sich ändernde Magnetfeld des Stators wird eine Drehung des Läufers und somit der Rotorwelle erzeugt.
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Vorzugsweise ist der Synchron-Reluktanzmotor dauermagnetlos ausgebildet. Hierdurch kann auf teure Rohstoffe, die für starke Permanentmagneten erforderlich sind, verzichtet werden. Insbesondere können hierbei auch auf seltene Erden verzichtet werden, welche zum Teil schwer erhältlich sind. Dauermagneten werden üblicherweise in den Läufer eingeklemmt und/oder eingeklebt, was zu Nachteilen führt, beispielsweise durch eine erhöhte Geräuschentwicklung oder eine vergrößerte Störanfälligkeit beim Lösen eines Dauermagneten.
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Vorzugsweise erfüllt der Synchron-Reluktanzmotor die Effizienzklasse IE4 der Verordnung EG640/2009. Diese entspricht der Norm IEC634-30-1 (2014-03) IG.1.0. Bei Vakuumpumpen handelt es sich insbesondere um Hochverfügbarkeitsmaschinen, die über lange Zeiträume angeschaltet bleiben und ein zuverlässiges Vakuum liefern müssen. Insbesondere bei Geräten beispielsweise in der Spektroskopie, bei der ein Vakuum erforderlich ist, werden Vakuumpumpen nur selten ausgeschaltet, um die Verfügbarkeit beispielsweise der Spektroskopiegeräte sicherzustellen. Somit ist es erforderlich, dass die Vakuumpumpen eine hohe Effizienz aufweisen, um die Kosten für den Betrieb der Vakuumeinrichtung zu reduzieren.
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Vorzugsweise handelt es sich bei der Vakuumpumpe um eine Scroll-Pumpe, eine Schraubenpumpe, eine Klauenpumpe, eine Wälzkolbenpumpe oder eine Drehschieberpumpe. Insbesondere kann die Vakuumpumpe ausgebildet sein als 2-Wellen-Pumpe. Somit trägt die Rotorwelle entsprechend als Rotorelement eine Schraube, eine Klaue, einen Drehschieber oder einen Wälzkolben, durch dessen Drehung, insbesondere im Zusammenspiel mit einem weiteren Rotorelement oder einem Stator angeordnet im Schöpfraum, das Vakuum erzeugt wird. Alternativ hierzu kann es sich bei der Vakuumpumpe um eine Seitenkanalpumpe oder einen Radialverdichter handeln. Weiterhin kann es sich bei der Vakuumpumpe um Molekularpumpen handeln, wie beispielsweise eine Turbomolekularpumpe, eine Hohlweckpumpe, eine Gaedepumpe, eine Siegbahnpumpe und dergleichen.
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Vorzugsweise erreicht der Synchron-Reluktanzmotor mindestens 4.500 Umdrehungen pro Minute, bevorzugt mindestens 9.000 Umdrehungen pro Minute und besonders bevorzugt mindestens 12.000 Umdrehungen pro Minute. Hierbei sind die hohen Drehzahlen erforderlich für ein ausreichendes Vakuum. Insbesondere, falls es sich bei der Vakuumpumpe um eine Turbomolekularpumpe handelt, ist es bevorzugt, dass der Synchron-Reluktanzmotor mehr als 12.000 Umdrehungen pro Minute erreicht und besonders bevorzugt 12.000 bis zu 90.000 Umdrehungen pro Minute erreicht.
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Die Erfindung betrifft weiter die Verwendung eines Synchron-Reluktanzmotors mit Kurzschlussläuferanlaufkäfig als Antrieb für eine mindestens ein in einem Schöpfraum angeordnetes Rotorelement tragenden Rotorwelle einer Vakuumpumpe. Insbesondere kann dabei die Vakuumpumpe wie vorstehend beschrieben ausgebildet sein.
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Die Erfindung betrifft insbesondere die Verwendung eines Synchron-Reluktanzmotors mit einem Kurzschlussläuferkäfig zum Anlauf des Motors als Antrieb für eine Vakuumpumpe, deren Rotorwelle mindestens ein Rotorelement trägt, das in einem Schöpfraum angeordnet ist.
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Ein Synchron-Reluktanzmotor (SRM) ist eine Drehstrom-Synchronmaschine mit einem Rotor (Läufer), der einen Flusssperrenschnitt aufweist. Üblicherweise hat der Stator (Ständer) eines Synchron-Reluktanzmotors den gleichen Aufbau wie der eines handelsüblichen Asynchronmotors mit verteilten Wicklungen.
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Der Rotor ist vorzugsweise als Blechpaket aus Elektroblechen oder gesinterten Materialien ausgeführt. Er weist eine besondere Geometrie mit Flussleit- und Flusssperrabschnitten auf zum Leiten und Sperren des magnetischen Flusses in dem Rotor.
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In der magnetischen Vorzugsrichtung (d-Richtung) tritt dabei ein geringer magnetischer Widerstand auf und der magnetische Fluss wird im Rotor gut geführt. In einem 45°-Winkel dazu (q-Richtung) behindern die Flusssperren den magnetischen Fluss. Bei den Flusssperren handelt es sich vorzugsweise um Luft enthaltende Abschnitte (Luftsperren).
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Zusätzlich verfügt der Rotor des Synchron-Reluktanzmotors Mitläuferkäfig über eine Kurzschlussanlaufwicklung zum asynchronen Selbstanlauf. Durch das magnetische Drehfeld der Ständer-Spulen wird in dem Metallkäfig eine Läuferspannung induziert. Aufgrund der untereinander kurz geschlossenen metallischen Leiter fließen in den Leitern entsprechende Läuferströme, die ein eigenes Magnetfeld erzeugen.
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Der Läuferkäfig kann aus in oder um den Rotor angebrachten Leitern bestehen, welche auf beiden Seiten des Rotors kurzgeschlossen sind. Alternativ kann der Läuferkäfig durch eine Ausfüllung der Hohlräume beispielsweise der Flusssperrabschnitte des Rotors mit einem Metall, beispielsweise Aluminium oder Kupfer, gebildet sein. Auch in diesem Fall sind die metallischen Ausfällungen auf beiden Seiten des Rotors kurzgeschlossen.
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Durch die Verwendung eines Synchron-Reluktanzmotors mit Kurzschlussanlaufkäfig können die Vorteile des Synchron-Reluktanzmotors mit den Vorteilen der Asynchronmaschine verbunden werden. Insbesondere stellt die deutliche Reduzierung der Rotorverluste um circa 75% einen für Vakuumpumpen bedeutenden Vorteil da. Dabei liegen sowohl die Kosten als auch das Rotorgewicht in einem vergleichbaren Bereich wie die der Asynchronmaschine. Zudem kann der Motor sowohl direkt am Versorgungsspannungsnetz als auch mit einem Frequenzumrichter betrieben werden. Der Gesamtwirkungsgrad des Systems kann durch den Einsatz des hybriden Synchron-Reluktanzmotors, nämlich dem Sychron-Reluktanzmotor in Verbindung mit dem Kurzschlussläuferanlaufkäfig, zu höheren Energie-Effizienzklassen gesteigert werden.
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Im Folgenden wird anhand der Figuren ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Vakuumpumpe ausgebildet als Schraubenpumpe,
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2 einen Querschnitt durch den Elektromotor in 1 und
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3 den Querschnitt gemäß 2 eines anderen Ausführungsbeispiels.
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Die erfindungsgemäße Vakuumpumpe, beispielsweise ausgebildet als Schraubenpumpe, weist in einem Gehäuse 10 angeordnete erste Rotorwellen 12 und eine zweite Rotorwellen 14 auf. Diese sind über Zahnräder 16 miteinander verbunden und tragen schraubenförmige Rotorelemente 18, die in einem Schöpfraum 20 angeordnet sind. Mit der ersten Rotorwelle 12 ist ein Elektromotor 22 verbunden, der die Rotorwelle 12 unmittelbar und die zweite Rotorwelle 14 mittelbar über die Zahnräder 16 antreibt. Dabei ist der Elektromotor 22 erfindungsgemäß ausgebildet als Synchron-Reluktanzmotor.
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Der Synchron-Reluktanzmotor 22 weist einen Stator 24, sowie einen Läufer 26 auf. Der Läufer 26 ist aus einer Vielzahl in axialer Richtung hintereinander angeordneter Elektrobleche ausgebildet. Diese sind durch eine dünne Schicht eines Isolators elektrisch voneinander getrennt, um Wirbelströme im Läufer 26 zu verhindern. Der Läufer 26 weist dabei eine Vorzugsrichtung 28 auf, entlang derer sich ein maximaler magnetischer Fluss durch den Läufer aufbauen kann. Entlang einer zweiten Richtung 30 ist der magnetische Fluss durch den Läufer 26 reduziert.
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Der Läufer 26 wird umgeben von einem Stator 24, welcher eine Vielzahl von Polen 32 aufweist. Über Spulen 34 wird ein sich veränderndes Magnetfeld erzeugt, in dem sich der Läufer 26 derart ausrichtet, dass ein maximaler magnetischer Fluss entsteht. Hierdurch wird eine Drehung des Läufers 26 erzeugt, wodurch die Rotorwelle und entsprechend die Rotorelemente in Drehung versetzt werden und ein Fördermedium von einem Einlass 36 zu einem Auslass (nicht sichtbar) gefördert wird.
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Verwendung eines Synchron-Reluktanzmotors 22 zum Antrieb einer mindestens ein in einem Schöpfraum 20 angeordnetes Rotorelement 18 tragenden Rotorwelle 12 einer Vakuumpumpe 10.
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Verwendung eines Synchron-Reluktanzmotors 22 zum Antrieb einer mindestens ein in einem Schöpfraum 20 angeordnetes Rotorelement 18 tragenden Rotorwelle 12 einer Vakuumpumpe 10 nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und vorzugsweise wie vorstehend beschrieben.
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In 2 ist der Kurzschlussläuferkäfig 35 zum Anlaufen des Läufers 26 dargestellt. Der Kurzschlussläuferkäfig 35 wird aus Metallstäben 36, die in 2 im Querschnitt gezeigt sind, gebildet.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach 3 sind die Flusssperrabschnitte 38 metallisch ausfüllt ausgebildet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202014009226 U1 [0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Effizienzklasse IE4 der Verordnung EG640/2009 [0009]
- Norm IEC634-30-1 (2014-03) IG.1.0 [0009]
