DE2537367B2

DE2537367B2 - Lagerung eines axial durchfluteten Rotors für eine schnell rotierende Vakuumpumpe

Info

Publication number: DE2537367B2
Application number: DE2537367A
Authority: DE
Inventors: Willi Dr. 6333 Braunfels Becker
Original assignee: Balzers Hochvakuum 6200 Wiesbaden GmbH
Current assignee: Balzers Hochvakuum 6200 Wiesbaden GmbH
Priority date: 1974-09-27
Filing date: 1975-08-22
Publication date: 1980-03-06
Also published as: NL158265B; NL158265C; FR2286298A1; US4036565A; GB1481658A; DE2537367C3; CH583856A5; JPS5812478B2; FR2286298B1; JPS5160005A; NL7414250A; DE2537367A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Lagerung eines axial durchfluteten Rotors für eine schnell rotierende Vakuumpumpe, die aus einem in einem zylindrischen Gehäuse mit Ansaug- und Ausstoßöffnung angeordneten Stator und einem durch eine passive Magnetlagerung zentrierten und bezüglich seiner mittels Fühler festgestellten axialen Lage aktiv durch eine zugeordnete magnetische Steuereinrichtung festgehaltenen und gesteuerten Rotor besteht.

Bei einem Rotor müssen bekanntlich fünf Freiheitsgrade fixiert werden. Bekannt sind Magnetlagerungen für zumindest abschnittweise ferromagnetische Rotoren, welche über geeignete Sensoren und Elektromagneten als Stellglieder alle Freiheitsgrade festlegen. Diese Lösungen erfordern einen hohen Aufwand an Steuerelektronik.

Bekannt sind auch Magnetlager, welche zwei Freiheitsgrade gleichzeitig fixieren. Durch eine geeignete Anordnung von Permanent- oder Elektromagneten läßt sich hierbei ein stabiles Radiallager verwirklichen. Jedoch wirken solche Lager in axialer Richtung destabilisierend, und es sind dann 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 ihrer Anwendung auf einflutige Turbovakuumpumpen ergeben sich Schwierigkeiten bei der Demontage, falls der elektromagnetische Servomechanismus auf einer Seite des Rotors zusammengefaßt wird, um Spulen im Hochvakuum zu ve^rmeiden.

Für die radiale Lagerung und Stabilisierung eines Rotors sind schon verschiedene Möglichkeiten bekannt; eine davon ist in DE-OS 21 37 850 beschrieben worden. Meist wird sie mittels eines gehäusefesten Magneten,

ίο dem eine auf dem Rotor befestigte Ankerscheibe gegenübersteht, bewerkstelligt Was magnetisch aktiv gesteuerte Axiallagerungen betrifft, so sind solche für Motoren in den DE-OS 23 37 226, 23 49 033 und 24 57 783 vorgeschlagen worden. Sie sind im Prinzip auch für axialdurchflutete Rotoren für schnell rotierende Vakuumpumpen geeignet. Die Steuerung erfolgt dabei z. B. mittels Elektromagneten, die an den Stirnseiten des Pumpengehäuses befestigt sind, denen an den Wellenenden des Rotors befestigte Blechpakete als Anker gegenüberstehen, oder es wird mit der Rotorwelle ein Elektromagnet verbunden und ein gehäusefester Flansch aus einem magnetischen Werkstoff als Anker vorgesehen. In DE-OS 24 57 783 wird vorgeschlagen, anstelle eines elektromagnetischen Stellgliedes für die axiale Rotorlage ein elektrodynamisches zu verwenden und in DE-AS 22 10 995 wird angeregt, auf dem Stator Wicklungen derart anzuordnen, daß in axialer, radialer oder tangentialer Richtung passende K räfte auf den Rotor ausgeübt werden, um ihn

jo anzutreiben oder zu lagern.

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein konkretes derartiges System zum Einhalten und zur Steuerung der Axiallage des axialdurchfluteten Rotor einer schnell rotierenden Vakuumpumpe. Sie löst durch eine

J5 Ausbildung gemäß Patentanspruch 1 die Aufgabe, eine Rotorlagerung für eine Pumpe der oben erwähnten Gattung anzugeben, die keine Spulen und elektrischen Durchführungen auf der Ansaugseite erfordert. Vorteile bietet die Erfindung oft auch dadurch, daß sie den

4(i Ansaugquerschnitt der Pumpe nicht nennenswert verringert, einen geringen Aufwand an Regel- und Stellgliedern benötigt sowie eine querkraftfreie axial stabile Lagerung ermöglicht und die Pumpe leicht demontiert werden kann.

Die erfindungsgemäße axiale Lagestabilisierung mit Hilfe einer Spule in einem radialen Magnetfeld beruht darauf, daß der Kraftvektor senkrecht zur Stromrichtung in der Spule und senkrecht zum Magnetfeld steht. Die Kraft wird also gerade in der Richtung erzeugt, 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 stromdurchflossene Spule gehäusefest

^r>5 und die das Radialfeld erzeugende, mit dem 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

bo 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

bi sie bei Verwendung eines kollektorlosen Antriebsmotors mit einem mit Permanentmagneten bestückten Läufer ermöglicht, den Läufer als einen mit dem im Anspruch 1 erwähnten Magnetjoch verbundenen,

Permanentmagnete tragenden Außenläufer auszubilden und die Spule und den hülsenförmig ausgebildeten Stator des Antriebsmotors koaxial hintereinander anzuordnen und zu einer ausstoßseitig im Gehäuse gehalterten Baugruppe zusammenzufassen, so daß diese dann ohne Eingriffe auf den Rotor oder Stator der Pumpe unzerlegt aus dem Pumpengehäuse ausgebaut werden kann.

Für die radiale Lagerung können an sich bekannte Schneidenlager angewendet werden. Diese bieten 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 Schneidenlager auf der Ansaugseite, einem Schneidenlager auf der Ausstoßseite und dem elektrodynamischen Stellglied des erfindungsgemäßen 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 Fühler festgestellt, dessen Signal mit einem Sollwert verglichen wird. Die Regelabweichung wird verstärkt und der Spule des Regelsystems zugeführt.

Es sei noch bemerkt, daß ein Vorteil der Erfindung auch darin liegt, daß man mit einem geringen Energieaufwand für die Einstellung des Stellgliedes für die axiale Stabilisierung auskommt, wenn d -· radiale Lagerung in an sich bekannter Weise so ausgebildet wird, daß die auf der Ansaugseite und der Ausstoßseite angeordneten passiven, aus Permanentmagneten und Jo einem Eisenjoch bestehenden gehäusefesten Lagerelemente die Rotorwelle in einer stabilen radialen Lage halten und gleichzeitig eine axiale Zugkraft auf die Welle ausüben. Eine solche Anordnung besitzt dann einen Punkt labilen Gleichgewichtes in axialer Richtung. Wird der Rotor durch das auf der Ausstoßseitc der Pumpe angeordnete elektrodynamische Stellglied in dem erwähnten Punkt festgehalten, ergibt sich ein minimaler Energieaufwand für die axiale Stabilisierung.

In der nachfolgenden Beschreibung soll an Hand der <to 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 Distanzringe 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 to gegenübersteht und mit dieser zusammen das obere passive ^r>5 Lager bildet, welches den Rotor durch die Geometrie der Polschuhe zentriert und gleichzeitig eine Anzugkraft auf ihn ausübt. Eine ähnliche Anordnung mit Ringschneiden 11 und 12, und den Magneten 13 befindet sich am unteren Ende des Rotors und bildet das zweite w> passive Lager, welches ebenfalls zentriert und eine axiale Zugkraft auf den Rotor ausübt. Der Rotor trägt weiter auf der Ausstoßseite des Pumpsystems eine in einem Magnetjoch 14 gefaßte Magnetanordnung 15, welche ein radiales Feld in dem zylindrischen, mit der t>^r> Rotorwelle 6 koaxialen Luftspalt 16 erzeugt. In diesen Luftspalt taucht eine zylindrische gehäusefeste Spule 17 ein und bildet ein elektrodynamisches System, welches über den Sensor 18 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, 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 weiche die Geschwindigkeit der Schwingungen erfassen. Radiale Bewegungen z. B. Präzessionbewegungen des Rotors werden durch die beschriebene Anordnung der ferromagnetischen Abschnitte auf dem Rotor gedämpft, da bei radialen Auslenkungen der ferromagnetischen Polschuhe 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 uno 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 eines mit dem Rotor verbundenen topfförmigen Jochs 14 mit zentralem Zapfen 22 befestigt. Diese Ausführung besitzt bei Verwendung von mehreren Einzelmagneten für die Magneianordnung den Vorteil, daß die Magnete durch die Fliehkraft an die Wand gedrückt werden. Der Mantel des Jochs ist nach unten erweitert und nimmt die Magnetanordnung 23 eines an sich 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 Antriebsmotor 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 Buigruppe können z. B. auch die Sensoren für die axiale und radiale Lage des Rotors und eventuelle aktive Bauteile von Dämpfungsvorrichtungen integriert sein.

Hierzu I 1>Ί»ι

Claims

Patentansprüche:

1. Lagerung eines axial durchfluteten Rotors für eine schnell rotierende Vakuumpumpe bestehend aus einem in einem zylindrischen Gehäuse mit Ansaug- und Ausstoßöffnung angeordneter Stator und mit einem durch eine passive Magnetlagerung zentrierten und bezüglich seiner mittels Fühler festgestellten axialen Lage aktiv durch eine zugeordnete magnetische Steuereinrichtung festgehaltenen und gesteuerten Rotor, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Ausstoßöffnung des Gehäuses zum Einhalten und zur Steuerung der Axiallage des Rotors Permanentmagnete (15) an der inneren Mantelfläche eines einen Teil des Rotors bildenden, einen zentralen Zapfen (22) aufweisenden topfförmigen Magnetjoches (14) angeordnet sind, die Magnete im wesentliche.· ein radiales Magnetfeld erzeugen und daß eine gehäusefeste, zur Rotorachse konzentrische, in das radiale Feld der Permanentmagnete (15) eintauchende Spule (17) vorgesehen ist, der eine Regeleinrichtung zur Regelung des die Spule durchfließenden Stromes in Abhängigkeit von der axialen Rotorlage zugeordnet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1 mit einem kollektorlosen Motor mit einem mit Permanentmagneten bestückten Läufer, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer des Antriebsmotors als ein mit dem Joch (14) verbundener, Permanentmagnete tragender Außenläufer ausgebildet ist, und die Spule (17) und der linsenförmig ausgebildete Stator (24) des Antriebsmotors koaxial hintereinander angeordnet zu einer ausstoßseitig im Gehäuse gehalterten Baugruppe zusammengefaßt sind.