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Mannetische Lagerung
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Die Erfindung bezieht sich auf die Lagerung schnellaufender Rotore,
vorzugsweise solche von Turbomolekularpumpen (Bez.
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nach DIN 28400 Teil 1), die keine Schmiermittel, z.B. Kohlenwasserstoffe,
enthält.
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Die Lagerung von Rotoren mit hohen Drehzahlen geschieht üblicherweise
mit Hilfe von geschmierten Lagern, wobei als Schmiermittel in erster Linie Öle und
Fette, aber auch Gas in sog. Gaslagerungen verwendet werden. Es gibt jedoch Fälle,
wo Flüssige oder gasförmige Schmiermittel nicht verwendet werden dürfen. Ein Beispiel
dafür ist die Ultra-Hochvakuumtechnik.
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Hier dürfen nur Materialien mit sehr niedrigem Dampfdruck eingesetzt
werden, z.B. Paarungen von festen Stoffen. Man spricht dann von einer trockenen
Lagerung". Trockene Wälz- oder Gleitlager sind aber wegen ihrer hohen Reibungsverluste
und ihres hohen Uerschleisses nur für kleine Relativgeschwindigkeiten brauchbar.
In solchen Fällen bietet sich eine Magnetlagerung an. Sie ist zwar trocken und irn
Prinzip auch verschleissfrei, in der Praxis jedoch störungsanfällig und aus den
im folgenden dargelegten Gründen nicht verschleissfrei.
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Magnetische Lagerungen müssen nämlich den Rotor nicht nur in einer
stabilen Lage zum Schweben bringen, sondern sie müssen zusätzlich parasitäre Kreiselbewegungen
(Präzession, Nutation) und Schwingungen wirksam dämpfen. Solcha Schwingungen und
Bewegungen werden z.B. durch Erschütterungen angefacht, und es kann bei bekannten
Magnetlagern mehrere Sekunden dauern, bis besonders kritische Bewegungen abgeklungen
sind. Ein heftiger 9toß gegen das Statorgehäuse, z.B. einer in der H.U.-Technik
verwendeten Turbomolekularpumpe, kann sogar zur Berührung zwischen Stator und Rotor
und damit zur Zerstörung des Gerätes
führen. Rus diesem Grunde müssen
magnetisch gelagerte Rotoren grundsätzlich mit einer zusätzlichen, mechanischen
Notlagerung ausgestattet werden. Letztere sind aber in Fällen, in denen sie in Anspruch
genommen werden, einem besonders hohen Verschleiss unterworfen, besonders dann,
wenn sie nicht nur das Rotorgewicht, sondern auch die destabilisierenden Kräfte
der Plagnetlager auf den Rotor aufnehmen müssen und keine Schmiermittel mit hohem
Dampf druck enthalten dürfen und somit nur auf ihre otlaufeigenschaften angewiesen
sind.
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Es sind auch Hybridlagerungen mit magnetischen und mechanischen Elementen
benannt, bei denen ein oder mehrere Freiheitsgrade mechanisch gelagert sind. Diese
mechanischen Elemente erlauben die Lösung aller erwähnten Probleme der Magnetlagerung
(Dämpfung, kotlager). Wenn hier jedoch trockene Lager verwendet werden, sind sie
einem hohen Werschleiss unterworfen.
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Aus diesem Grunde sind bisher für schnelldrehende Rotoren nur Hybridlagerungen
mit öl- oder fett-geschmierten mechanischen Lagern bekannt geworden.
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Im folgenden soll zunächst eine solche magneto-mechanische Hybridlagerung
betrachtet werden, bei der die 4 radialen Freiheitsgrade durch passive Magnetlager
festgehalten werden. Der axiale Freiheitsgrad wird dabei mechanisch fixiert. Der
Rotor ist also in 5 Freiheitsgraden gelagert, während der 6. Freibertsgrad, der
oLationsfreiheitsgrad, frei bleibt.
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Die magnetische Lagerung der 4 radialen Freiheitsgrade führt zu einer
Konzentration aller Probleme auf die mechanische Axiallagerung; denn die nicht geregelten
magnetischen Radial lager wirken in axialer Richtung in noch höhsrem Maße destabilisierend,
als sie n radialer Richtung stabilisierend wirken. Dies folgt aus einen Theorem,
welches besagt, daß mit ormanentmaneten allein keine stabile Lagerung möglich ist
(@. Braunbek, Z. f. Physik112 (1939), No. 11-12, Seite 753 bis 7b3). Es gibt allerdings
eine labile Gleichgewichtslage, in welcher die Summs aller auf don Rotor wirkenden
axialen
Kräfte (einschließlich des Gewichts) Null wird.
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Bezeichnet man die axiale Ortskoordinate der labilen Gleichgewichtslage
mit 7 und nimmt man der Einfachheit halber an, daß die axiale Kraftkomponente der
Magnetkräfte KM in der Nähe von ZM linear von Z abhängt, so kann man als Proportionalitätskonstante
eine Federkonstante der Magnetkräfte f1 einführen.
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KM = -fM (z - ZM) Die destabilisierende Wirkung der Magnetkräfte
in axialer Richtung drückt sich darin aus, daß KM dieselbe Richtung und damit dasselbe
Vorzeichsn wie die Auslenkung (Z - ZM) hat; fM ist als6 negativ fM <o Man kann
einem mechanischen Lager eine ähnliche Kraft /Ueg -Beziehung zuschreiben, allerdings
mit positiver Federkonstante und mit verschuindender Federkonstante bei fehlender
Berührung.
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KL1 = fL1 (Z - Z1) f-1 = D für Z < Z1 fL1 > D für Z ? Z1 KL2
= - fL2 (Z - Z2) fL2 - D für Z > Z2 fL2 > O für Z < Z2 Die Rotorlage ist
stabil, wenn die Bedingung fL1 + fL2 + fM > 0 erfüllt ist. Die Koordinate der
stabilen Lage ergibt sich aus der Bedingung KL1 + KL2 + KM zu
Die dabei auf die Lager wirkenden Kräfte sind
Die Kräfte verschwinden für den Fall z1 = z2 =z 9 Der - der Einfachheit halber awadehnungslos
anganommene -Rotor müßte genau in der labilen Gleichgewichtslage ZM gehalten werden,
wobei die Lagerflächan bei Z1 und Z2 gerade eben kräftefrei berühren.
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Dies ist natürlich ein mathematischer Grenzfall, der sich technisch
nur annähernd verwirklichen läßt. Wie schwierig dies ist, zeigt folgende Überlegung:
Die magnetische Radial lagerung muß so ausgelegt werden, daß bei einer Radialbeschleunigung
von 10 g (g = Erdbeschleunigung) der Rotor nicht anschlägt. Bei einen Lagerspalt
von beispielsweise 1 mm Breite und einer Rotormasse von m kg bedeutet dies, daß
eine radiale Federkonstante erforderlich ist, die größer ist als m . 10 . 9,81 Newton/mm.
Der Bstrag der axialen Federkonstante fM ist nach den obigen Ausführungen etwa um
den Faktor 2 oder mehr, also > 200 m größer. Eine Längenänderung von 0,01 mm,
wie sie durch Wärmedehnung oder mechanische Ungenauigkeiten entstehen kann, erzeugt
dann eine Axialkraft von 200 0,01 . m = 2 m. Bei 0,01 mm Fehler entsteht demnach
bereits eine Kraft, die das Doppelte des Gewichtes ausmacht.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine trockene
Axiallagerung für radial magnetisch gelagerte Rotoren mit hohen Drehzahlsn zu schaffen,
bei der die Axialkräfte
in niedrigen, vorgegebenen Grenzen gehalten
werden, mit dem Vorteil geringer Leistungsverluste, Unempfindlichkeit gegenüber
Erschütterungen und langen Standzeiten.
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Diese Aufgabe wird durch eine Ausbildung der Lagerung gemäß Patentanspruch
1 gelöst; bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen
angegeben.
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Dadurch, daß mit Hilfe einer Regelung der Rotor während des Betriebes
in einem so geringen Abstand vom Punkt des labilen Gleichgewichtes gehalten wird,
daß einerseits die auf ihn infolge der magnetischen Radiallagerung wirkende Kraft
in axialer Richtung begrenzt bleibt, andererseits aber eine gewisse axiale Restlagerkraft
in dieser Richtung übrig bleibt, wird gleichzeitig erreicht, daß einerseits unerwünscht
hohe Reibungsverluste vermieden werden, andererseits aber durch die Restreibung
parasitäre Rotorschwingungen (Präzessions-, rJutations- und Rollbewegungen), wie
sie z.B. bei Erschütterungen auftreten, wirksam gedämpft werden, ohne daß hierfür
zusätzliche aufwendige und komplizierte Sondereinrichtungen, linie bei bekannten
magnetischen Rotorlagerungen, oder ges hinierte mechanische Lager wie bei bekannten
mechanischen oder Hybridlagerungen nötig sind.
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Wäk1rend die Lagerung des Rotors durch genügend steife ungeregelte
magnetische Radiallager in einer allein durch die Herstellgenauigkeit des mechanischen
Axiallagers bestimmten Position leicht zu Auflagekräften führen kann, die das Zehnfache
des Rotorgewichtes betragen, kann durch die Regelung im Sinne der vorliegenden Erfindung
die Rotorlage so eingestellt werden, daß die verbleibende axiale Lagerkraft kleiner
als das Rotorgewicht ist. Vorzugsweise wird sie sogar auf ein Zehntel oder weniger
des Rotorgewichtes eingeregelt. Der Abstand von der labilen Gleichgewichtslage in
axialer Richtung, den der Rotor annehmen darf, ohne den genannten Wert der duflagekrat
zu üb3rschreiten, beträgt höchstens einige m. Diese Forderung ist jedoch durch geeignete
egeleinrichtungen durchaus erfüllbar.
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Die erfindungsgemäße Axiallagerkonstruktion weist eine nicht rotierende,
ebene Lauffläche und eine rotierende, konvex gekrümmte Lauffläche auf, welche sich
in der Rotationsachse nahezu punktförmig berühren. Steht die Rotationsachse senkrecht
auf der ebenen Lauffläche, so wird dank der geringen Umfangsgeschwindigkeit der
Lauffläche die Lagerreibung sehr klein gehalten. Bei geneigter Rotationsachse (z.B.
bei Präzession) entstehen dann Kräfte, die den Rotor in die senkrechte Lage zur
ebenen Lauffläche zurückbringen - ähnlich wie bei einem Spielkreisel.
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Bezüglich der einzelnen Funktionselemente einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung soll noch auf folgende Ausführungsmöglichkeiten hingewiesen werden:
1.) Gleiche oder ungleiche Axiallager: 1.1 Die erfindungsgemäße Lagerung kann mit
zwei gleichen, einseitig, aber in entgegengesetzter Richtung wirksamen, automatisch
einstellbaren Axiallagern versehen sein.
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1.2 Es gibt Fälle, wo die Anbringung eines geregelten Axiallagers
auf einer der beiden Seiten der Rotorwelle unerwünscht iat. Man wird dann nur ein
Lager regeln; das andere tritt nur kurzzeitig in Aktion, d.h. es fängt den Rotor
auf und bleibt dann so lange in Aktion, bis eine Rückholvorrichtung den Rotor wieder
mit dem geregelten Lager in Berührung gebracht hat.
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2.) Messung der Auflaoekraft: 2.1 Diese Messung kann dadurch verwirklicht
werden, daß das einseitig wirksame Axiallager ein federnder Anschlag ist, welcher
bei einer bestimmten Über- oder Unterschreitung der Sollauflagekraft einen elektrischen
Kontakt berührt und damit die achstellvorrichtung steuert.
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2.2 Diese Messung kann auch dadurch verwirklicht werden, daß das einseitig
wirksame Axiallager ein federnder Anschlag ist, welcher mit der Soll-Auflagakraft
gegen einen Anschlag vorgespannt ist und beim Überschreiten der Soll-Auflagekraft
einen elektrischen Kontakt öffnet.
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2.3 Die Auflagekraft kann auch mit Hilfe eines federnden Anschlages
gemessen werden, dessen Auslenkung über eine Widerstandsmessung, Kapazitätsmessung
oder Induktivitätsmessung festgestellt wird. Das Meßsignal ist dabei eine stetige
Funktion der Auflagekraft.
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2.4 Eine weitere Möglichkeit zur Messung der Auflagekraft bietet die
Verwendung eines Thermoelementes, welches das Temperaturgefälle zwischen einer Stelle
in der Nähe der Lauffläche und einer anderen Stelle im Stator misst.
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Dieses Temperaturgefälle ist proportional zu den Reibungsverlusten
und damit zur Auflagekraft, wenn die Drehzahl konstant ist. Die große Zeitkonstante
dieser Meßmethode ist dem Problem gut angepaßt, da ja nur langsame thermische Änderungen
durch die Regelung kompensiert werden sollen.
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3.) Nachstellvorrichtung: 3.1 Die Einstellung der axialen Lage eines.geregelten,
einseitig wirksamen Axiallagers kann durch ein Gewinde mit axialer Achse geschehen.
Das Gewinde kann geschmiert werden, wenn es z.B. durch einen Federbalg gegen den
Austritt von Schmiermitteln und deren Dämpfe abgekapselt ist. Der Antrieb erfolgt
z.9. mit Hilfe eines Stellmotors.
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3.2 Der Abstand der axialen Rotorlage ZO von der labilen Gleichgewichtslage
ZM kann auch durch Veränderung der magnetischen Kräftebilanz eingestellt werden.
Dies kann z.B. dadurch geschehen, daß der Stator eines der Radiallager
axial
mechanisch einstellbar gestaltet wird. Eine solche Nachstellvorrichtung ist dann
auch geeignet, um den Rotor im Störungsfalle wieder mit dem geregelten, einseitig
wirksamen Axiallager in Berührung zu bringen.
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Beschreibung eines Ausführunosbeispieles: Die Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße
Ausführung der Lagerung am Beispiel einer Turbomolekularpumpe. Mit dem Gehäuse 1
ist der Scheibenstator 2 der Turbomolskularpumpe und der Stator 3 des Antriebsmotors
fest verbunden. Der Rotor 4 mit den Scheiben 5 ist in radialer Richtung magnetisch
gelagert Im Beispiel Fig. 1 sind sog. Backers-Lager gezeigt, wie sie von Backers
in "Phllips' technische Rundschau", 22. Jahrgang 1960/61, Nr. 7 ß252 - 259, beschrieben
sind. Sie bestehen aus den permanentma3neti sN en Statorrinoen 6 und den mit dem
Rotor verbundenen permanentmagnetischen Ringen 7. Die Ringe 6, 7 sind vorzugsweise
radial magnetisiert und so angeordnet, daß sich immer gleichnamige Pole gegenüberstehen
und anstoßen.
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Dadurch wird der Rotor 4 in radialer Richtung stabil gelagert, während
der Rotor in axialer Richtung labil ist. Zur axialen Stützung und Haltung im Gleichgewicht
dienen mechanische Trokkengleitlager. Die Lager bestehen rotorseitig 8 aus einem
zähen verschleißfestan Werkstoff, beispielsweise einer guten Lagerbronze oder einer
Goldlsgierung, und haben die Form eines Kugelabschnitts, während die feststehenden
Lager 9 aus einem sehr harten verschleißfesten und eben geschliffenen, hochglanzpolierten
Werkstoff, bestehen. Die feststehenden Lagerteile 9 der Gleitlager sind auf einer
Kraftmeßdose 10 montiert. Die Kraftmeßdose 10 ist so eingerichtet, daß sie bei Überschreiten
einer geringen Kraft ein elektrisches Signal abgibt. -Dabei muß die Federkonstante
der Kraftmeßdose 10 wesentlich größer sein als die negative Federkonstante der ilagnetlager
6,7.
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Die Kraftme2dosen 10 sind jeweils au einer in axialer Richtung usLstgllbaren
Spindel 11 angeordnet. Diese Spindel 11
kann durch ein Getriebe
12 und einen Motor 13 in axialer Richtung langsam verschoben werden. Das Getriebe
12 mit dem Motor 13 ist in einem vakuumdichten Gehäuse 14 gekapselt und durch einen
Federbalg 15 abgedichtet. Die Getriebe 12 wiederum stützen sich hochvakuumseitig
an einem Stern 16 am Gehäuse 1 ab, während vorvakuumseitig der Stirnflansch 17,
der gleichzeitig als vakuumdichtes Gehäuse fungiert, das Getriebe 12 trägt. Die
Verstellmotoren 13 können die Spindel 11 in beiden Richtungen verschieben. Die beiden
Kraftmeßdosen 10 und die beiden Verstellmotoren 13 sind mit einer elektrischen Logikschaltung
verbunden. Die Schaltung ist so gewählt, daß die Motore 13 nicht laufen, solange
die AuflagekraFt an der Kraftmeßdose 10 kleiner als der eingestellte Wert ist. Wird
dieser Wert überschritten, dann dreht sich der Motor 13 so, daß die Spindel 11 entgegen
der Magnetlagerkraft bewegt wird, bis die Kraft wieder unter den vorgegebenen Wert
abgesunken ist. Tritt an beiden Kraftmeßdosen 10 gleichzeitig eine Kraft auf, so
fahren beide Motoren 13 die Lagerflächen 9 in entgegengesetzter Richtung auseinander.
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Die Abbildung 2 zeigt die Einzelheiten der Kraftmeßdosen 10.
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Man erkennt die Lagerlauffläche 18 auf einem geschliffenem Lagerelement
9 aus Hartmetall. Letzteres ist elektrisch isoliert auf einer Federmembran 19 befestigt.
SiU ist auf dem im Vergleich zum Membran 19 sehr steifen Gehäuse 20 der Kraftmeßdose
10 befestigt. Im Innenraum der Dose 10 sind zwei Kontaktelemente 21, 22, eines mit
der Membran und eines mit dem Gehäuse fest verbunden. Letzteres 22 kann bei der
Montage so justiert werden, daß die Kontaktelemente 21, 22 sich berühren, sobald
eine auf die Lauffläche 18 drückende Kraft einen vorgegebenen Wert überschreitet.
Das Kontaktelement 22 ist elektisch isoliert befestigt und mit einer elektrischen
Leitung 23 zum Steuergerät versehen. Eine weitere ele'<trisChe Leitung 24 ist
mit jedem der beiden Lagerelemente 9 verbunden, so daß die Berührung des Rotors
mit beiden Lagerelementen 9 durch Stromdurchgang festgestellt werden kann.
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Wirkungsweise des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 und 2: Die Lagerung
besteht aus zwei gleichen Lagern (vgl. Punkt 1.1 der oben erwähnten Ausführungsmöglichkeiten
für die Funktionselemente). Sie haben je einen Federkontakt 21, 22, der die Überschreitung
der Soll-Auflagekraft anzeigt (vgl. 2.1). Belde Lager können durch Gewindebolzen
11 verstellt werden (vgl. 3.1).
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Die Lage ZM des labilen Gleichgewichts wird durch die Regelung automatisch
gesucht. Sie ist mit hinreichender Genauigkeit gefunden, wenn beide von den Federmembranen
19 getragenen Lagerelemente 9 den Rotor berühren, nicht aber die Kontakte 21, 22
schließen.
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Wenn ein Kontakt 21/22 geschlossen ist, bedeutet dies eine Überschreitung
der Soll-Auf lagekraft des Rotors auf die eine Lauffläche durch Auslenkung des Rotors
nach der betreffenden Seite hin. Das durch das Schließen des Kontaktes erhältliche
elektrische Signal dient dazu, den Rotor in die Sollage zurückzusteuern. Das geschieht
durch Verstellung beider Gewindebolzen 11 in Richtung entgegen der Auslenkung. Der
Rotor wird dadurch wieder näher an den Punkt des labilen Gleichoewichtes herangerückt
und die Auflagekraft verringert. Sobald hierbei die maximal zulässige Auflagekraft
wieder unterschritten wird, wird der Kontakt 21/22 unterbrochen und somit die Korrekturbewegung
beendet.
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Der eben-beschriebene Nachstellvorgang, ausgelöst durch eine bestimmte
Kontakt-Kombination, steht als Beispiel für 7 verschiedene Kombinationen. Diese
Kombinationen von Kontakten und die durch sie verursachten Nachstellvorgänge sind
in Tabelle 1 dargestellt; sie bezieht sich auf eine Anordnung nach Fig. 1, die Pfeile
geben die Bewegungsrichtnng des nicht rotierenden Teiles des jeweiligen Axiallagers
an.
Kontaktgabe Bewegung |
Kraftmeßdose Rotor oben Kraftmeßdose oben unten Kommentar |
oben und unten unten |
nein i ja nein 0 0 richtig |
eingeregel- |
te Stelle. |
ja ja nein 1 4 |
W |
nein ja ja + |
ja ja ja 4, Regelvor- |
gang |
ja nein nein 4 O 0 |
nein nein ja o |
. . |
nein nein nein 4, |
Tabelle 1: Schematische Darstellung der Regelung beim ersten Ausführungsbeispiel.
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Das oben in Worten beschriebene Beispiel entspricht den Zeilen 2
oder 3.
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Das beschriebene Ausführungsbeispiel besitzt alle für die vorliegende
Erfindung charakteristischen Merkmale. Insbesondere wird dank der geringen, aber
durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Lagerung stets vorhandene Restreibung
eine Dämpfung parasitärer Schwingungen erzielt, ohne daß weitere kompliziertere
Vorkehrungen getroffen werden müßten.
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Ausführungsbeispiel IT: Ein Nachteil dieser Ausführung besteht darin,
daß der zwischen den Federmembranen 19 festgehaltene Rotor in axialer Richtung schwingen
kann. Beim Hochlaufen des Rotors wird auf jeden Fall die Eigenfrequenz dieses schwingungsfähigen
Systems durchlaufen, was zu unerwünschten Resonanzerscheinungen führt. Das folgende
Ausführungsbeispiel II vermeidet diesen Nachteil: Die Fig. 3 zeigt eine Kraftmeßdose
10 gemäß Punkt 2.2 der Ausführungsmöglichkeiten der einzelnen Funktionselemente.
Das Lagerelement 9 wird von einer Blattfeder 25 getragen, welche unter Vorspannung
an dem Anschlag 26 anliegt. Überschreitet die Kraft auf das Lagerelement 9 diese
Vorspannung, so löst sich die Feder 25 von dem Anschlag 26, wodurch der Kontakt
zwischen diesen beiden Elementen unterbrochen wird.
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Diese Kraftmeßdose ist in eine Anordnung gemäß Fig. 1 eingebaut. Die
Möglichkeit des Stromdurchgangs über die Kontakte zwischen dem Rotor und den Axiallagern
ist hier nicht vorgesehen.
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Um ein Überlasten der Gleitlager 8, 9 zu verhindern, wird beim Inbetriebsetzen
einer Turbomolekularpumpe zunächst die Regelung der Lager eingeschaltet. Befindet
sich der Rotor 4 zufällig so nahe bei der labilen Gleichgewichtslage, daß die Kontakte
25/26 in beiden Kraftmeßdosen geschlossen sind, so ist der Soll-Zustand gegeben
und der Rotor-Antrieb kann eingeschaltet werden. Steht der Rotor 4 außerhalb des
erlaubten Bereiches, was meistens der Fall ist, so drücken die axialen Magnetkräfse
auf eine der beiden Federn 23 und öffnen den dazugehörenden Kontakt 25/26.
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Nach dem Einschalten der Regelung der Lager setzt sich der entsprechende
Motor 13 in Bewegung und fährt die Spindel 11 mit der Kraftmeßdose 10 und dem feststehenden
Teil 9 des Lagers entgegen der axialen Magnetkraft.
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Dabei baut sich diese langsam ab. Erlaubt die Stellung des anderen
Lagers einen genügend großen Weg, so fährt das erste Lager bis zum Schaltpunkt,
bei dem der Kontakt 25/26 schließt.
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Damit befindet sich der Rotor in der Soll-Lage und der Rotorantrieb
wird eingeschaltet.
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Steht das andere Lager 9 aber früher an, wird der Rotor 4 dieses berühren
und die Auflagekraft in diesem Lager steigt beim Weiterfahren an. Der Kontakt zwischen
25 und 26 wird öffnen. Damit sind also auf beiden Seiten die Kontakte zwischen 25
und 26 geöffnet. Die Logikschaltung ist so ausgelegt, daß in diesem Falle beide
nicht-rotierenden Teile der Axiallager durch ihre Stellmotoren vom Rotor wegbewegt
werden, bis wieder nur der erste eingeschaltet ist. Dieser fährt nun wieder vorwärts,
bis der zweite wieder Signal gibt, und so wiederholt sich das Spiel, wobei nach
Art eines Pilgerschrittes der Rotor 4 langsam in die Zone des labilen Gleichgewichtes
gefahren wird. Ist dieser Punkt erreicht, schaltet sich der Antrieb des Rotors ein
und bleibt auch bei weiteren Regelvorgängen eingeschaltet.
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Wenn sich während des Betriebes der Rotor 4 ausdehnt und dann auch
das zweite Lager 9 Berührung bekommt und in beiden die Kraft überschritten wird,
so werden beide wieder rückwärts gefahren, und das Lager 9 mit der größeren Kraft
wird den Rotor wieder in die Normalstellung bewegen. Nutzt sich ein Gleitlager 8
im Laufe der Zeit ab, dann nimmt die Auflagekraft in diesem Lager zu. Wird dabei
der eingestellte Wert überschritten, so fährt der entsprechende Motor das Lager
um den Abnutzungsbetrag gegen den Rotor zurück.
Kontakt Bewegung |
Kraftmeßdose oben unten |
oben unten |
ja ja O O gut |
nein ja 0 |
ja nein 0 t Regelvor |
gang |
nein nein 4, |
Tabelle 2: Schematische Darstellung der Regelung beim zweiten Ausführungsbeispiel:
Die Überschreitung der Soll-Auflageraft bei Lager oben bzw. unten öffnet den entsprechenden
Kontakt. Die Logikschaltung steuert dann die Stellmotore so, daß die nicht-rotierenden
Teile der Lager in den angegebenen Pfeilrichtungen bewegt werden.
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Die vorgenannten Federn wirken durch die Vorspannung im Normalfall
(beide Kontakte geschlossen) wie starre Anschläge, und es ist leicht einzusehen,
daß Axialschwingungen ds Rotors dadurch vermieden werden. Der Rotor berührt aber
nur noch eines der gleichberechtigten Axiallager, was zu einer bistabilen Rotorlage
führt.
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Die beiden bisher beschriebenen Ausführungsbeispiele haben bezüglich
Lagerung von Rotoren in Turbomolekularpumpen den Nachteil, daG auf der Ansaugseite
ein Motor und ein Getriebe in einer vakuumdichten Kapsel untergebracht werden müssen.
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Dies kann zu relativ großen Kapseln und damit zu unerwünscht hohen
Strömungswiderständen führen. In dem folgenden Ausführungsbeispiel wird dieser Nachteil
vermieden.
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Beschreibung eines dritten Ausführungsbeispiels: Fig. 4 zeigt eine
erfindungsgemäße Ausführung der Lagerung am Beispiel einer Turbomolekularpumpe,
bei der auF der Ansaugseite möglichst wenig Lagerbauteile angebracht werden. Im
Gegensatz zu Fig. 1 wurde deshalb die Kraftmeßdose 10 auf der Ansaugseite fest mit
den nicht-rotierenden Teilen des magnetischen Radiallagers verbunden. Dafür werden
auf der Ausstoßseite (Vorvakuumseite) die nicht-rotierenden Teile des magnetischen
Radiallagers automatisch einstellbar gestaltet.
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Die Funktionsweise dieses AusFührunosbeispiels kann aus Tabelle 3
entnommen werden. Vorteilhafterweise wird eine Kraftmeßdose nach Fig. 3 verwendet.
(ontatgabe BewrgunKommentar |
(unten, |
I |
,ben unten adial- AxiaL- |
lagar lager |
ja I ja O o gut |
nein ja o negelvorgng |
ja nein |
. Rückholvorgans |
nein nein 1 |
Tabelle 3: Schematische Darstellung cin. Regelung beim 3. Ausführungsbeispiel: Die
Pfeile eben die Hich'Lunc-j der Bewegung, die durch die Logikschaitung infolge der
jeweiligen Kontaktgabe erzeugt jird Eine Abwartsbewegunc, des unteren Radiallagers
bewirkt
eine Entlastung des unteren Axiallagers und umgekehrt.
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Alle 3 Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Turbomolekularpumpen.
Diese Darstellung der erfindungsgemäßen Lagerung am gleichen Objekt wurde der besseren
Gegenüberstellungsmöglichkeit halber gewählt. Es soll aber betont werden, daß andere
Einsatzmöglichkeiten wie z.B. bei Gaszentrifugen, Spinnereimaschinen, Kreiseln zur
Stabilisierung von Satelliten u. dgl. bestehen und daß die Vorteile der erfindungsgemäten
Lagerung auch dort ihre Bedeutung haben.
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Ebenfalls wegen der Übersichtlichkeit werden die Ausführungsbeispiels
auf einfache Schaltpunlst-Regelsysteme beschränkt.
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Die KrafEmeRmethoden gemäß Punkt 2.3 und 2.4 der Ausführungsmöglichkeiten
der Funktionselemente erlauben natürlich die Realisierung von Proportional-Regelsstemen
und damit die Stabilisierung der Auflagekraft auf einem Sollwert. Eine ins Einzelne
gehenda Darstellung solcher Regelsysteme würde aber keine grundsätzlich neun Merkmale
liefern, da auf das zweite Axiallager aus Sicherheitsgründen nicht verzichtet werden
sollte. In allen fällen sind die Einstelloeschwindigkeiten sehr niodrig, z.B. 1
Fj/s, um die MassenkräFte so gering zu halten, daß der Regelvorgang nicht gestört
ist.
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