DE2537367A1 - Turbovakuumpumpe - Google Patents

Description

© Int. Cl.²:

(S) BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES

PATENTAMT F 04 D 29/04

Offenlegungsschrift 25 37 367

Unionspriorität:

Aktenzeichen: P 25 37 367.5

Anmeldetag: 22. 8.75

Offenlegungstag: 15. 4.76

27. 9.74 Schweiz 13132-74

Bezeichnung:

Turbovakuumpumpe

Anmelder:

Balzers Hochvakuum GmbH, 6201 Nordenstadt

Erfinder:

Becker, Willi, Dr., 6333 Braunfels

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INSPECTED

Bekannt sind auch Magnetlager, welche zwei Freiheitsgrade gleichzeitig fixieren. Durch eine geeignete Anordnung von Perrnanent- oder Elektromagneten lässt sich ein stabiles Radiallager verwirklichen^ . Wie jedoch die Erfahrung gezeigt hat, wirken solche Lager in axialer Richtung destabilisierend, und es werden dann besondere, die axiale Stabilität wieder herstellende Regeleinrichtungen erforderlich.

Weiterhin ist eine berührungsfreie, axial stabilisierte und radial zentrierte Lagerung einer rotierenden Welle mit jedem Wellenende zugeordneten, mittels magnetischen Kräften arbeitenden radial zentrierenden Lagern und mit einem elektromagnetischen Servomechanismus zur axialen Stabilisierung bekannt '. Bei der Anwendung einer solchen Lagerung auf einflutige Turbovakuumpumpen ergeben sich Schwierigkeiten bei der Demontage der Lagerung, falls der elektromagnetische Servomechanismus auf einer Seite des Rotors zusammengefasst wird, um Spulen im Hochvakuum zu vermeiden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Turbovakuumpumpe mit magnetischer Lagerung des Rotors anzugeben, die keine Spulen und elektrischen Durchführungen auf der Ansaugseite erfordert, den Ansaugquerschnitt nicht nennenswert verringert, geringen Aufwand an Regel- und Stellgliedern benötigt, eine querkraftfreie axial stabile Lagerung ermöglicht und leicht demontiert werden kann.

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Die Aufgabe wird erfindungsgemäss durch eine aus einem in einem zylindrischen Gehäuse mit Ansaug- und Ausstossöffnung angeordneten Stator und einem Rotor bestehende Turbovakuumpumpe gelöst, die mit Mitteln zur Radiallagerung und weiteren Mitteln zur Axiallagerung des Rotors ausgestattet ist, und die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Mittel zur Axiallagerung aus einem auf der Ausstosseite der Pumpe liegenden elektrodynamischen System bestehen, welches eine auf dem Rotor befestigte, ein im wesentlichen radiales Feld erzeugende Anordnung aus Permanentmagneten und eine gehäusefeste, zur Rotorachse konzentrische Spule aufweist, die in das Feld der Permanentmagnetanordnung eintaucht.

Die axiale Lagestabilisierung mit Hilfe einer Ringspule in einem radialen Magnetfeld beruht darauf, dass der Kraftvektor senkrecht zur Stromrichtung in der Spule und senkrecht zum Magnetfeld steht. Die Kraft wird also in einer Richtung ausgeübt, in der eine ungehinderte Relativbewegung zwischen Magnetsystem und Spule möglich ist.

Bei Umkehr der Stromrichtung kehrt sich auch die Kraftrichtung um. Bei der erfindungsgemässen Pumpe, bei welcher die stromdurehflossene Spule gehäusefest und die das Radialfeld erzeugende, mit dem

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Rotor verbundene Magnetanordnung in axialer Richtung beweglich ist, wird die elektrodynamische Kraft dazu ausgenutzt, um eine Richtkraft auf den Rotor in axialer Richtung zu erzielen entsprechend der Stromrichtung in der Spule, ohne dass störende Radialkräfte ausgeübt werden. Die Rotation der Magnetanordnung hat dabei keinen Einfluss auf die in axialer Richtung wirksame elektrodynamische Kraft.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass sie ermöglicht, die Spule des elektrodynamischen Systems und den Stator eines für den Antrieb des Rotors in das Pumpgehäuse eingebauten Motors zu einer Baugruppe derart zusammenzufassen, dass diese ohne Eingriffe auf Rotor oder Stator der Pumpe unzerlegt aus dem Pumpengehäuse ausgebaut werden kann, wobei auf der Ansaugseite der Pumpe keine Spule erforderlich ist.

Bei rein magnetisch aufgehängten Rotoren für Turbovakuumpumpen, bei denen vier oder fünf festzuhaltende Freiheitsgrade mit Hilfe passiver Lagerelemente fixiert sind, ist es vorteilhaft, ansich bekannte.Schneidenlager / ' anzuwenden. Diese haben den Vorteil, dass die Welle kurz und das polare Trägheitsmoment relativ zu den anderen Hauptträgheitsmomenten gross gemacht werden kann. Durch ein solches Lagersystem, bestehend aus einem

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Schneidenlager auf der Ansaugseite, einem Schneidenlager auf der Ausstosseite und dem elektrodynamischen Stellglied des Axial-Regelungs-Systems, kann der Rotor in jeder axialen Lage festgehalten werden, die durch das Spiel zwischen den Schneiden erlaubt ist. Die axiale Lage wird dabei von einem Sensor gemessen, dessen Signal mit einem Sollwert verglichen wird. Die Regelabweichung wird verstärkt und der Spule des elektrodynamischen Systems zugeführt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung soll eine Turbovakuumpumpe geschaffen werden, die beim Betrieb mit möglichst geringem Energieaufwand des Stellgliedes für die axiale Stabilisierung auskommt. Zu diesem Zweck wird die Pumpe nach der Erfindung vorzugsweise so ausgebildet, dass auf der Ansaugseite und der Ausstosseite angeordnete passive, aus Permanentmagneten und einem Eisenjoch bestehende gehäusefeste Lagerelemente die in diesem Abschnitt ferromagnetische oder permanentmagnetische Rotorwelle in einer stabilen radialen Lage halten und gleichzeitig eine axiale Zugkraft auf die Welle ausüben. Eine solche Anordnung besitzt einen Punkt labilen Gleichgewichtes in axialer Richtung. Wird der Rotor durch das auf der Austosseite der Pumpe angeordnete elektrodynamische Stellglied in dem erwähnten Punkt (ansich labilen Gleichgewichtes) festgehalten, ergibt sich ein minimaler Energieaufwand für die axiale Stabiliesierung.

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In der nachfolgenden Beschreibung soll an Hand der Zeichnung am Beispiel einer einflutigen Turbovakuumpumpe mit senkrecht stehendem Rotor das Wesen der Erfindung näher erläutert werden.

Im zylindrischen Gehäuse 1 mit einer Ansaugöffnung 2 und einer Ausstossöffnung 3 ist der Stator der Pumpe bestehend aus Leiträdern 4, welche Schaufelkränze tragen und durch DJstanzringe 5 auf Abstand gehalten werden, befestigt. Der Rotor bestehend aus der Welle 6 und den ebenfalls Schaufelkränze tragenden Laufrädern 7 bildet mit dem Stator das eigentliche Pumpsystem. Am oberen Teil des Rotors ist eine ferromagnetische Polschuhanordnung mit Ringschneiden 8 befestigt, die einer entsprechend ausgebildeten gehäusefesten Polschuhanordnung 9 mit Permanentmagneten 10 gegenübersteht und mit dieser zusammen das obere passive Lager bildet, welches den Rotor durch die Geometrie der Polschuhe zentriert und gleichzeitig eine Anzugskraft auf ihn ausübt. Eine ähnliche Anordnung mit Ringschneiden 11 und 12, und den Magneten Γ5 befindet sich am unteren Ende des Rotors und bildet das zweite passive Lager, welches ebenfalls zentriert und eine axiale Zugkraft auf den Rotor ausübt. Der Rotor trägt weiter auf der Ausstosseite des Pumpsystems eine in einem MagnetJoch gefasste Magnetariordnung 15, welche ein radiales Feld in dem zylindrischen, mit der Rotorwelle 6 koaxialen Luftspalt 16 er-

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zeugt. In diesen Luftspalt taucht eine zylindrische gehäusefeste Spule 17 ein und bildet ein elektrodynamisches System, welches über den Sensor l8 geregelte, ausschliesslich axiale Kräfte auf den Rotor ausübt. Bei Stromdurchgang erzeugt die Spule 17 je nach Richtung des Stroms eine axiale Zug- oder Druckkraft auf den Rotor. Bei der vorliegenden Anordnung der passiven Lager gibt es für den Rotor eine Lage, die dadurch ausgezeichnet ist, dass sich die axialen Kräfte auf den Rotor durch die passiven Lager einschliesslich der Schwerkraft kompensieren, d.h. der Rotor befindet sich im Punkt labilen Gleichgewichts, denn bei Auswanderung.aus dieser Lage zieht das passive Lager, welches in Richtung dieser Auswanderung liegt, den Rotor an. Mit Hilfe des Sensors 18 für die Axiallage des Rotors wird das elektrodynamische System jedoch gesteuert, so dass es der Auslenkung des Rotors aus dem Punkt labilen Gleichgewicht entgegenwirkt.

Zur Vermeidung von axialen Schwingungen des Rotors kann das elektrodynamische System auch gedämpft gesteuert werden, entweder durch elektronische Mittel oder zusätzliche Sensoren welche die Geschwindigkeit der Schwingungen erfassen. Radiale Bewegungen z.B. Präzessionbewegungen des Rotors werden durch die beschriebene Anordnung der ferromagnetisehen Abschnitte auf dem Rotor gedämpft, da bei radialen Auslenkungen der ferromagnetisehen Polschuhe

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aus dem Feld des gehäusefesten Permanentmagneten diese Bewegung dämpfende Wirbelströme induziert werden. Zur verstärkten Bedämpfung von Radialbewegungen können zusätzliche über entsprechende Sensoren gesteuerte Dämpfungselemente 19 angeordnet sein.

Diese Ausführung der Lagerung erlaubt auch den Betrieb der Pumpe bei waagrecht liegendem Rotor, wenn die Permanentmagnete der passiven Lager entsprechend stark ausgelegt sind, so dass die zentrierenden Komponenten in der Lage sind_/das Rotorgewicht zu tragen.

Zur Vermeidung von Berührungen des Rotors und des Stators können zweckmässig radiale und axiale Anschläge vorgesehen werden, die nur begrenzte Auslenkungen des Rotors zulassen und bei Ausfall der Magnetlagerung als Notlager wirken, in denen der Rotor auslaufen kann. -

Bei der gezeichneten Ausführung wirken die konusförmigen Lagerbuchsen 20 und 21 als Anschläge sowohl in radialer als auch axialer Richtung.

Die Magnetanordnung des elektrodynamischen Systems welche das radiale Magnetfeld erzeugt, ist auf der inneren Mantelfläche

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eines mit dem Rotor verbundenen topfförmigen Jochs 14 mit zentralem Zapfen 22 befestigt. Diese Ausführung besitzt bei Verwendung von mehreren Einzelmagneten für die Magnetanordnung den Vorteil, dass die Magnete durch die Fliehkraft an die Wand gedruckt werden. Der Mantel des Jochs ist nach unten erweitert und nimmt die Magnetanordnung 23 eines ansich bekannten kollektorlosen Gleichstrommotors auf, der vorzugsweise mit eisenfreier Wicklung ausgeführt wird, damit vom Motor keine Radialkräfte auf den Rotor der Pumpe ausgeübt werden. Das Wicklungspaket 24 des Antriebsmotors und die Spule 17 des elektrodynamischen Systems sind als Baugruppe zusammengefasst, die unzerlegt aus dem Gehäuse der Pumpe nach unten ausgebaut werden kann. In diese Baugruppe können z.B. auch die Sensoren für die axiale und radiale Lage des Rotors und eventuelle aktive Bauteile von Dämpfungsvorrichtungen integriert sein.

Literaturverzeichnis

1) (Aus einer Dissertation; mündl. Mitteilung)

2) ^: Dornier Post 3/72, S. 30 u.f.

3) Philips Tecnn. Rundschau, -22.Jg., S. 252

4) D-OS 2 137 850

5) D-OS 2 219 029

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Claims (5)

PATENTANSPRUECHE

1. ) TurboVakuumpumpe, bestehend aus einem in einem zylindrischen

Gehäuse mit Ansaug- und Ausstossöffnung angeordneten Stator und einem Rotor, mit Mitteln zur Radiallagerung und weiteren Mitteln zur Axiallagerung des Rotors, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Axiallagerung aus einem, auf der Ausstosseite der Pumpe liegenden elektrodynamischen System bestehen, welches eine auf dem Rotor befestigte, ein Im wesentlichen radiales Feld erzeugende Anordnung aus Permanentmagneten und eine gehäusefeste, zur Rotorachse konzentrische Spule aufweist, die in das Feld der Permanentmagnet anordnung eintaucht.

2. Turbovakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur radialen Lagerung des Rotors aus wenigstens einer gehäusefesten Permanentmagne tanordnung bestehen, denen weich- oder permanentmagnetische Abschnitte auf dem Rotor gegenüberliegen.

3. Turbovakuumpumpe nach Anspruch 1 mit innerhalb des Gehäuses eingebautem Elektromotor, dadurch gekennzeichne t, dass die Spule des elektrodynamischen

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Systems und der Stator des Antriebsmotors zu einer Baugruppe zusammengefasst sind, die ohne Eingriffe auf den Rotor oder Stator der Pumpe unzerlegt aus dem Pumpenge-. häuse ausgebaut werden kann.

4. Turbovakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die das Magnetfeld des elektrodynamischen Systems erzeugende Permanentmagnetanordnung auf der inneren Mantelfläche eines topfförmigen Magnetjochs mit zentralem Zapfen befestigt ist.

5. Turbovakuumpumpe nach Anspruch 1, j5 und 4 mit einem kollektorlosen Motor mit einem mit Permanentmagneten bestückten Läufer, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer als ein mechanisch mit dem topfförmigen Joch verbundener Aussenläufer ausgebildet ist, auf dessen Innenseite die Permanentmagneten befestigt sind.

PR 7439

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