DE2457783A1

DE2457783A1 - Magnetische anordnung

Info

Publication number: DE2457783A1
Application number: DE19742457783
Authority: DE
Inventors: Willi Dr Becker; Heinz Dr Rer Nat Wehde
Original assignee: PFEIFFER VAKUUMTECHNIK; Teldix GmbH
Current assignee: Arthur Pfeiffer Vakuumtechnik Wetzlar GmbH
Priority date: 1974-12-06
Filing date: 1974-12-06
Publication date: 1976-06-16
Also published as: US4082376A; DE2457783C2; GB1525489A; FR2293623B1; JPS5177746A; JPS6014209B2; FR2293623A1

Description

Arthur Pfeiffer Vakuumtechnik Wetzlar GmbH

und

Teldix GmbH

6900 Heidelberg
Grenzhöfer Weg 36

Heitfolberg, 28. November 1974 PT-Sch/Ba E-337

Magnetische Anordnung

Die Erfindung betrifft eine magnetische Anordnung, insbesondere für einen schnelldrehenden Rotor, enthaltend zwei Magnetlager, welche auf den Rotor axiale Zugkräfte ausüben und aufgrund der im wesentlichen koaxialen Ausbildung vom¹ jeweils auf Rotor bzw. Stator vorgesehenen Bauteilen eine passive Stabilisierung in radialer Richtung bewirken.

Problemstellung

Eine derartige magnetische Anordnung ist aus der US-Patentschrift 3 473 852 bekannt, wobei zur axialen Stabilisierung des Rotors zwei aktiv geregelte, elektromagnetische Lager vorgesehen sind. Die genannten Magnetlager enthalten jeweils auf dem Stator angeordnete Elektromagnete mit Polringen, denen auf dem Rotor liegende- ferromagnetische Polringe zügeordnet sind. Aufgrund der koaxialen Ausbildung der Polringe von Rotor und Stator wird auch eine ungeregelte passive Sta-

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bilisierung erreicht. Die Steifigkeit dieser Anordnung in radialer Richtung bzw. um die zur Drehachse des Rotors senkrechten Raumachsen ist jedoch vergleichsweise gering, so daß bei entsprechender Belastung, beispielsweise beim Durchfahren der kritischen Drehzahlbereiche, die auftretenden Resonanzschwingungen von der magnetischen Anordnung nicht aufgenommen werden können. Es sind daher magnetische Anordnungen vorgeschlagen worden - genannt sei hier die US-Patentschrift 3 650 581 -, für sämtliche Freiheitsgrade aktiv geregelte Magnetlagersysteiue vorzusehen. Eine solche Anordnung ist jedoch im Aufbau und in der Herstellung sehr aufwendig und erfordert zudem einen erheblichen Energiebedarf zur Erzeugung der erforderlichen Lagerkräfte in sämtlichen Richtungen.

Aufgabe und Lösung

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, die genannten Nachteile zu vermeiden und eine im Aufbau einfache, kostengünstige magnetische Anordnung zu schaffen, welche in allen Drehzahlbereichen ein stabiles Verhalten des Rotors gewährleistet. Des weiteren soll die magnetische Anordnung insbesondere in der Vakuumtechnik anwendbar sein, wobei vor allem elektrische Durchführungen, Dichtungen u.a. zur Vakuumseite hin vermieden werden sollten. Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des ersten Patentanspruches gelöst.

Vorteile und bevorzugte Weiterbildungen

Die erfindungsgemäße Anordnung enthält ein erstes ungeregeltes sowie ein zweites aktiv geregeltes Magnetlager zur axialen Stabilisierung des Rotors, wobei beide Lager aufgrund

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der im wesentlichen koaxialen Ausbildung von jeweils auf dem Rotor bzw. Stator angeordneten Bauteilen auch in radialer Richtung stabilisierend wirken. Die genannten Bauteile werden bevorzugt als koaxiale Polringe oder Schneiden ausgebildet, um eine gute radiale Steifigkeit zu erzielen. Zusätzlich ist zur Dämpfung von Schwingungen wenigstens ein aktiv geregelter Dämpfungskreis vorgesehen. Damit wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß der Rotor insbesondere die durch Eigenresonanzen bedingten kritischen Drehzahlen sicher durchlaufen kann, ohne daß hierzu aufwendige aktive Radiallagersysteme erforderlich sind, welche zudem einen nicht unerheblichen Energiebedarf aufweisen. In einer ersten Ausführungsform weisen die genannten Magnetlager jeweils auf dem Rotor angeordnete Bauteile aus zumindest teilweise ferromagnetischem Material auf und die jeweils auf dem Stator angeordneten Bauteile im ersten Magnetlager einen Permanentmagneten und im zweiten Magnetlager einen aktiv geregelten Elektromagneten. Damit werden auf den Rotor in beiden Magnetlagern axiale Zugkräfte- ausgeübt, welche einander entgegengesetzt sind. Anstelle der genannten ferromagnetischen Bauteile des Rotors oder in Zusammenwirken mit diesen Bauteilen -können auf dem Rotor auch Permanentmagnete derart angeordnet werden, daß diese tei entsprechender Polarisierung die genannten Zugkräfte bewirken oder verstärken. Der Dämpfungskreis enthält bevorzugt ein auf dem Stator angeordnetes elektromagnetisches Stellglied, wie beispielsweise einen Elektromagneten mit einem E- oder u-förmigen Kern, wobei diesem auf dem Rotor ein ferromagnetischer Ring-zuge^ ordnet ist. Weiterhin ist auf dem Stator ein bekannter Sensor für die radiale Lage oder Geschwindigkeit des Rotors vorgesehen, wobei entweder aufgrund der geometrischen Zuordnung zum Stellglied oder durch geeignete elektrische Mittel die erforderliche Phasenverschiebung zwischen Sensorsignalen und den dem Stellglied zuzuführenden elektrischen Signalen erreicht wird, um die Dämpfungswirkung zu erzielen.

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Der Aufbau des Dämpfungskreises wird besonders einfach, wenn die Spule des Stellgliedes und die Spule eines induktiven Sensors, welcher bevorzugt die Geschwindigkeit des Rotors in radialer Richtung erfaßt, ein und dieselbe sind. Wird der genannten Spule ein Zweipol mit negativem Innenwiderstand nachgeschaltet, so ergibt sich auf einfachste Weise die geforderte Dämpfungswirkung. Als Beispiel für einen derartigen Zweipol sei ein mitgekoppelter Verstärker genannt. Es erweist sich weiterhin als besonders vorteilhaft _t den Dämpfungskreis nur in tf.eu Frequenzbereichen, in welchen mechanische Resonanzschwingungen auftreten, zu aktivieren. Hierzu werden in dem Verstärker, welcher dem genannten Sensor nachgeschaltet ist, ein oder mehrere Filternetzwerke vorgesehen. Diese Filternetzwerke sind derart abgestimmt, daß sie nur für bestimmte Frequenzbereiche, in welchen die mechanischen Schwingungen des Rotors liegen, durchlässig sind.

Anstelle des elektromagnetischen Stellgliedes kann ohne weiteres auch ein elektrodynamisches Stellglied vorgesehen werden. Die Anordnung der Stellglieder des oder der Dämpfungskreise (s) wird weitgehend von der Geometrie des Rotors bestimmt. Bei einem Rotor, welcher um die Achse des größten Trägheitsmomentes rotiert, können die Radialschwingungen, welche bei kritischen Drehzahlen auftreten, von Dämpfungskreisen, die in einer Radialebene angeordnet sind, wirksam gedämpft werden. Sind hingegen bei einem langgestreckten Rotor beispielsweise Präzisions- oder Nutationsschwingungen zu erwarten, so werden vorzugsweise mehrere Dämpfungskreise in verschiedenen Radialebenen vorgesehen, damit der Rotor auch um die zur Drehachse senkrechten Raumachsen gedämpft und damit stabilisiert wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausbildung wird die erfindungsgemäße Anordnung bei einer Turbovakuumpumpe oder ganz allgemein in

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der Vakuumtechnik vorgesehen, wobei das erste passive Magnetlager auf der Ansaugseite (Hochvakuum) und das zweite aktiv geregelte Magnetlager sowie Dämpfungskreis auf der Ausgangsseite angeordnet werden. Damit werden in vorteilhafter Weise die sonst üblichen Dichtungsprobleme von vornherein vermieden, da keine elektrischen oder sonstige Durchführungen zum Hochvakuum erforderlich sind. Durch die Verwendung nur eines aktiv geregelten Elektromagneten zur Stabilisierung in axialer Richtung sowie eines oder mehrerer Dämpfungskreise in radialer Rxchtung wird sowohl der fertigungstechnische Aufwand an Elektronik und elektrischen sowie magnetischen Mitteln auf ein Minimum reduziert, als auch der Leistungsbedarf in wirtschaftlich vertretbaren Grenzen gehalten. Dies gilt insbesondere im Vergleich mit Anordnungen, welche auch in radialer Richtung voll aktiv geregelte Magnetlagersysterne aufweisen. In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung wird vorgeschlagen, den Elektromagneten des zweiten Magnetlagers, Dämpfungskreis sowie Antriebsmotor in einer Baugruppe zusammenzufassen, um diese ohne Eingriffe auf den mechanischen Teil der Pumpe aus dieser entfernen zu können. Dies erweist sich vor allem bei der Herstellung aber auch für die Wartung der Pumpe von außerordentlicher Wichtigkeit, denn auf diese Weise lassen sich Gehäuse und Rotor separat montieren, so daß die genannte Baugruppe anschließend einfach noch mit dem Pumpengeaäuse verbunden werden muß. Wird weiterhin der Rotor mit einem glockenförmigen Teil versehen, in welches die Baugruppe zumindest teilweise hineinragt, so kann dadurch die Länge des Rotors reduziert werden. Dies ist hinsichtlich der Stabilität des Rotors von Bedeutung, da somit das polare Trägheitsmoment de..s Rotors größer als das äquatoriale wird. Aber auch die äußeren Abmessungen der Pumpe in axialer Richtung können auf diese Weise erheblich verkleinert werden.

Allsführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Aus-

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führungsbeispieles näher erläutert.
Es zeigt:

Fig. 1 - Eine prinzipielle Darstellung einer magnetischen Anordnung bei Anwendung in einer Turbo-Molekularpumpe .

Die Turbomolekularpumpe gemäß Fig. 1 weist ein Gehäuse 1 auf mit im Inneren angeordneten Leitschaufelkranzen 2. Sie enthält weiterhin einen um die Drehachse 4 drehbaren Rctor 5, an welchem in bekannter V/eise Laufs chaufelkränze 6 derart angeordnet sind, daß diese jeweils zwischen zwei Leitschaufelkränzen umlaufen können. Auf der Ansaugseite der Pumpe (oberes Ende in Fig. 1) ist ein Flansch 7 vorgesehen, mit welchem eine Verbindung zum evakuierbaren Raum herstellbar ist. Ein weiterer Flansch 8 befindet sich auf der Ausgangsseite der Pumpe, zum Anschluß einer Vorvakuumpumpe. Mittels radial gerichteten Trägern 10 ist im Zentrum der Öffnung auf der Ansaugseite ein erstes Magnetlager 11 vorgesehen, mit welchem auf den Rotor 5 eine axial (nach oben) gerichtete Zugkraft ausgeübt wird. Das genannte Magnetlager enthält einen im wesentlichen axial magnetisierten Permanentmagneten 12, angeordnet zwischen zwei etwa topfförmigen, ferromagnetisehen Bauteilen 14, 15, mit koaxialem. Polringen oder Schneiden 16, 17. Mit dem Rotor ist ein ferromagnetisch.es Bauteil 18 verbunden, welches koaxiale Polringe oder Schneiden 20, 21 derart aufweist, daß diese den genannten Polringen 16, 17 gegenüberstehen. Das genannte Magnetlager, welches sich durch eine besonders einfache konstruktive Gestaltung auszeichnet, ermöglicht aufgrund der koaxialen Ausbildung der Polringe gleichzeitig eine radiale Stabilisierung des Rotors 5· Es kann ohne weiteres auch dahingehend modifiziert werden, daß entsprechend des Magneten 12 auch auf dem Rotor ein Permanentmagnet vorgesehen wird, wobei die Magnetisierung derart vor-?·

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zusehen ist, daß ebenfalls eine Zugkraft auf den Rotor ausgeübt wird. Weiterhin kann gemäß einer anderen, bevorzugten Ausbildung das genannte erste Magnetlager auch ohne die Bauteile 14, 15 ausgebildet sein, wobei mit den Trägern 10 ein vorzugsweise ringförmiger, axial magnetisierter Permanentmagnet verbunden ist und diesem in axialer Richtung gegenüberliegend auf dem Rotor ein weiterer entsprechend ausgebildeter Permanentmagnet oder ein ferro-magnetisches Bauteil zugeordnet ist. Am unteren Ende ist ein weiteres Magnetlager 23 vorgesehen, welches einen auf dem Stator angeordneten aktiv geregelten Elektromagneten 24 aufweist. Auch hierbei oind koaxiale Polringe 25, 26 vorgesehen, welchen auf dem Roter entsprechende Polringe 27, 28 eines ferromagnetischen Bauteiles 30 zugeordnet sind. Es ist weiterhin ein Sensor 31 vorgesehen, welcher vorzugsweise induktiv, gegebenenfalls aber auch kapazitiv oder photoelektrisch die Lage des Rotors in axialer Richtung erfaßt. Der Sensor ist mit einem Regler 32 verbunden, dessen Regelcharakteristik in geeigneter Weise ausgewählt ist, xun über den nachgeschalteten Verstärker 33 und den nachgeschalteten Elektromagneten 24 eine Stabilisierung des Rotors in axialer Richtung zu erreichen. Auch bei dem gencnnten zweiten Magnetlager kann auf dem Rotor noch ein Permanentmagnet vorgesehen sein, ähnlich wie bei dem ersten Magnetlager.

Aufgrund der bereits beschriebenen Ausbildung der genannten Magnetlager 11, 23 wird außer der axialen Stabilisierung auch eine radiale Stabilisierung erreicht. Da die Steifigkeit der Lagerung in radialer Richtung vergleichsweise gering ist, ist weiterhin im Bereich des unteren Endes des Rotors wenigstens ein Dämpfungskreis 35 vorgesehen. Der genannte Dämpfungskreis enthält eine auf dem Stator angeordnete Spule 36 mit einem E-förmigen Kern 37. Der Rotor weist in diesem Bereich ein glockenförmiges Teil 39 auf, welches auf der Innenseite einen Ring 40 aus ferromagnetischem Material enthält. Es ist weiterhin ein induktiver Sensor 42 für die radiale Schwingungsge-

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schwindigkeit des Rotors vorgesehen. In der Zeichnung befinden sich der Sensor 42 sowie die als elektromagnetisches Stellglied wirkende Spule 36 in der gleichen Axialebene, so daß die zwischen Sensorsignal und elektromagnetischer Kraft der Spule 36 zur Dämpfung erforderliche Phasenverschiebung mittels des Reglers und Verstärkers 43 elektrisch vorgenommen wird. Selbstverständlich können auch Sensor und Stellglied in Umfangsrichtung um einen vorgegebenen Winkel angeordnet werden. Weiterhin können mehrere solcher Dämpfungskreise um den Umfang des Rotors verteilt angeordnet werden, wobei beispielsweise das Stellglied einen u-förmigen Kern enthalten kann.

Zum Antrieb des Rotors ist bevorzugt ein bürstenloser iileichstrommotor vorgesehen, enthaltend eine auf dem Stator angeordnete Wicklung 48. Die genannte Wicklung befindet sich innerhalb des glockenförmigen Rotorteiles 39» auf dessen InnenseJ.te ein magnetischer Rückschlußring 49 sowie raäial magnetisierte Permanentmagnete 50 vorgesehen sind, wobei benachbarte Permanentmagnete jeweils entgegengesetzt magnetisiert sind. Die Ansteuerung der Wicklung erfolgt in bekannter ,Weise über die Steuereinheit 511 welche auch die Kommutierungselektronik enthält. Wird der genannte Gleichstrommotor entsprechend der deutschen Patentanmeldung P 24 17 8i8.5' eisenlos ausgebildet, so ergibt sich der wichtige Vorteil, daß dieser praktisch keine radialen Kraftkomponenten auf den Rotor bewirkt. Als Antrieb können gegebenenfalls auch andere elektrische Motore, wie Synchron- oder Asynchronmotore vorgesehen werden.

Wie der Zeichnung entnommen werden kann, sind der Elektromagnet 24 des zweiten Magnetlagers, die Sensoren 42 und Spulen 36 des Dämpfungskreises sowie die Statorwicklung 48 des Antriebsmotors in einer Baugruppe zusammengefaßt. Die

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genannte Baugruppe befindet sich auf der Ausgangsseite der Turbomolekularpumpe und kann ohne weiteres aus der Pumpe entfernt bzw. mit dieser verbunden werden. Dies ist im Hinblick auf eine einfache Fertigung beziehungsweise Wartung der Pumpe von besonderer Bedeutung. Die Baugruppe ragt teilweise, also mit Statorwicklung sowie Sensoren und Spulen des Dämpfungskreises in den glockenförmigen Rotorteil 39 hinein.

- Patentansprüche -

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Claims

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Patentansprüche

Magnetische Anordnung, insbesondere für einen schnelldrehenden Rotor, enthaltend zwei Magnetlager, welche auf den Rotor axiale Zugkräfte ausüben und aufgrund der im wesentlichen koaxialen Ausbildung von jeweils aufjRotor bzw. Stator vorgesehenen Bauteilen eine passive Stabilisierung in radialer Richtung bev/irken, dadurch gekennzeichnet, daß da? erste Magnetlager wenigstens einen Permanentmagneten aufweist, welcher vorzugsweise auf dem Stator angeordnet ist, wobei die auf dem Rotor angeordneten Bauteile zumindest teilweise aus ferromagnetischem und/oder permanentmagnetischem Material bestehen, daß das zweite Magnetlager in an sich bekannter Weise einen aktiv geregelten, vorzugsweise auf dem Stator angeordneten Elektromagneten aufweist, wobei ein Sensor für die axiale Lage des Rotors vorgesehen ist und die auf dem Rotor angeordneten Bauteile zumindest teilweise aus ferromagnetischem und/oder permanentmagnetischem Material bestehen irnd daß zur Dämpfung von Schwingungen in radialer Richtung und/oder um die zur Drehachse des Rotors senkrechten Raumachsen wenigstens ein vorzugsweise aktiv geregelter Dämpfungskreis vorgesehen ist.
2. Magnetische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dämpfungskreis ein elektromagnetisch bzw. elektrodynamisch wirkendes Stellglied aufweist, enthaltend eine auf dem Stator angeordnete Spule mit einem vorzugsweise U- oder E-förmigen Kern und auf dem Rotor ein Bauteil aus ferromagnetischem bzw. permanentmagnetischem Material sowie einen Sensor für die radiale Lage oder Geschwindigkeit des Rotors.

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3. Magnetische Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule des Stellglieds und die Spule eines induktiven Sensors ein und dieselbe sind, welcher ein Zweipol mit negativem Innenwiderstand nachgeschaltet ist.
4. Magnetische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 tis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Dämpfungskreise in den Frequenzbereichen, in welchen mechanische Resonanz schwingungen auftreten, wirksam sind.
5. Magnetische Anordnung nach einem <?.er vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Antriebsmotor

. ein bürstenloser, eisenloser Gleichstrommotor vorgesehen ist.
6. Magnetische Anordnung, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere bei Anwendung in einer Turbo-Vakuumpumpe das erste Magnetlager auf der insaugseite der Pumpe angeordnet ist, wobei der Permanentmagnet vorzugsweise mit dem Gehäuse der Pumpe verbunden ist und daß das zweite Magnetlager, die Spule(n) des Dämpfungskreises einschließlich Sensor(en) sowie der elektrische Antriebsmotor auf der Ausgangsseite der Pumpe angeordnet sind.
7. Magnetische Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Magnetlager, der oder die Sensoren, die Spule(n) des Dämpfungskreises und der Stator des Antriebsmotors in einer Baugruppe zusammengefaßt sind,νdie unzerlegt aus dem Gehäuse der Pumpe entfernbar ist ohne Eingriff auf den Rotor oder Stator der Pumpe.
8. Magnetische Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor der Pumpe einen glockenförmigen

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Ιί-337 / η Patentansprüche

Teil aufweist, in welchen die genannte Baugruppe zumindest teilweise eintaucht, wobei das polare Trägheitsmoment des Rotors größer ist als das äquatoriale Trägheitsmoment.
9. Magnetische Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Innenseite des glockenförmigen Teiles die Permanentmagnete des als bürstenloser Gleichstrommotor ausgebildeten Antriebsinotors angeordnet sind.
10. Magnetische Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß. das erste Magnetlager im wesentlichen im Zentrum der Öffnung auf der Ansaugseite der Pumpe angeordnet ist und mittels im wesentlichen radial gerichteten Trägern an dem Gehäuse der Pumpe befestigt ist.

Heidelberg, 28. November 1974
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