DE2825551C3

DE2825551C3 - Magnetische Lagerung

Info

Publication number: DE2825551C3
Application number: DE2825551A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dr.rer.nat. Triesen Moll
Original assignee: Arthur Pfeiffer Vakuumtechnik Wetzlar GmbH
Current assignee: Arthur Pfeiffer Vakuumtechnik Wetzlar GmbH
Priority date: 1978-06-10
Filing date: 1978-06-10
Publication date: 1982-06-09
Also published as: DE2825551A1; DE2825551B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Lagerung schneilaufender Rotore, vorzugsweise solche von Turbomolekularpumpen (Bez. nach DIN 28 400 Teil 1), die keine Schmiermittel, z. B. Kohlenwasserstoffe, enthält.

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. 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 Verschleißes nur für kleine Relativgeschwindigkeiten brauchbar. In solchen Fällen bietet sich eine Magnetlagerung an. Sie ist zwar trocken und im Prinzip auch. verschleißfrei, in der Praxis jedoch störungsanfällig und aus den im folgenden dargelegten Gründen nicht verschleißfrei.

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to 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. Solche 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 Stoß gegen das Statorgehäuse, z. B. einer in der H.V.-Technik verwendeten Turbomolekularpumpe, kann sogar zur Berührung zwischen Stator und Rotor und damit zur Zerstörung des Gerätes führen. Aus 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 unterworden, besonders dann, wenn sie nicht nur das Rotorgewicht, sondern auch die destabilisierenden Kräfte der Magnetlager auf den Rotor aufnehmen müssen und keine Schmiermittel mit hohem Dampfdruck enthalten dürfen und somit nur auf ihre Notlaufeigenschaften angewiesen sind.

Es sind auch Hybridlagerungen mit magnetischen und mechanischen Elementen bekannt, bei denen ein oder mehrere Freiheitsgrade mechanisch gelagert sind. Diese mechanischen Elemente erlauben die Lösung aller erwähnten Probleme der Magnetlagerung (Dämpfung, Notlager). Wenn hier jedoch trockene Lager verwendet werden, sind sie einem hohen Verschleiß unterworfen. Aus diesem Grunde sind bisher für schnelldrehende Rotoren nur Hybridlagerungen mit öl- oder fettgeschmiertrii mechanischen Lagern bekanntgeworden.

Im folgenden soll zunächst eine solche magneto-mechanische Hybridlagerung betrachtet werden, bei der die vier 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. Freiheitsgrad, der Rotationsfreiheitsgrad, frei bleibt.

Die magnetische Lagerung der 4 radialen Freiheitsgrade führt zu einer Konzentration alle· Probleme auf die mechanische Axiafiagerung; denn die nicht geregei- 2" ten magnetischen Radiallager wirken in axialer Richtung in noch höherem Maße destabilisierend, als sie in radialer Richtung stabilisierend wirken. Dies folgt aus einem Theorem, welches besagt, daß mit Permanentmagneten allein keine stabile Lagerung möglich ist (W. 2^r> Braunbek, Z. f. Physik 112 (1939), No. 11 - 12, Seite 753 bis 769). Es gibt allerdings eine labile Gleichgewichtslage, in welcher die Summe aller auf den Rotor wirkenden axialen Kräfte (einschließlich des Gewichts) Null wird. Bei einer geringen Abweichung des Rotors von dieser in labilen Gleichgewichtslage treten jedoch Kräfte auf, durch die der Rotor noch weiter aus der Gleichgewichtslage ausgelenkt wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine trockene Axiallagerung für radial r> magnetisch gelagerte Rotoren mit hohen Drehzahlen zu schaffen, bei der die axialen Lagerkräfte in niedrigen, vorgegebenen Grenzen gehalten werden, mit dem Vorteil geringer Leistungsverluste, Unempfindlichkeit gegenüber Erschütterungen und langen Standzeiten.

Diese Aufgabe wird durch eine Ausbildung der Lagerung gemäß Patentanspruch 1 gelöst; bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.

Dadurch, daß mit Hilfe einer Regelung der Rotor während des Betriebes in einer solchen Position nahe der labilen Gleichgewichtslage 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-, Nutations- und Rollbewegungen), wie sie z. B. bei Erschütterungen auftreten, wirksam gedämpft werden, ohne daß hierfür zusätzliche aufwendige und komplizierte Sondereinrichtungen, wie bei bekannten magnetischen Rotorlagerungen, oder geschmierte mechanische Lager, wie bei bekannten Hybridlagerungen, nörig sind.

Während 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 verbietende axiale Lagerkraft kleiner als das Rotorgewicht ist. Vorzugsweise wird sie sogar auf ein Zehntel oder weniger des Rotorgewichtes eingeregelt. Der Abstand vor. der labilen Gleichgewichtslage in axialer Richtung, den der Rotor annehmen darf, ohne den genannten Wert der Auflagekraft zu überschreiten, beträgt höchstens einige ,um. Diese Forderung ist durch geeignete Regeleinrichtungen durchaus erfüllbar.

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.

Bezüglich der einzelnen Funktionselemente einer erfindungsgeniäßen 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 wiricsamen, automatisch einstellbaren Axiallagern versehen sein.

1.2 Es gibt Fälle, wo die Anbringung eines geregelten Axiallagers auf einer der beiden Seiten der Rotorwelle unerwünscht ist. 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.

2. Messung der Auflagekraft:

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 Soliauflagekraft einen elektrischen Kontakt berührt und damit die Nachstellvorrichtung steuert.

2.2 Diese Messung kann auch dadurch verwirklicht werden, daß das einseitig wirksame Axiallager ein federnder Anschlag ist, welcher mit der Soll-Auflagekraft gegen einen Anschlag vorgespannt ist und beim Überschreiten der Soll-Auflagekraft einen elektrischen Kontakt öffnet.

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.

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. 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.

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. B. mit Hilfe eines Stellmotors.

3.2 Der Abstand der axialen Rotorlage Z₀ 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.

Beschreibung eines Ausführungsbeispieles

Die F i g. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführung der Lagerung am Beispiel einer Turbomolekularpumpe. Mit dem Gehäuse 1 ist der Scheibenstator 2 der Turbomolekularpumpe 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 »Philips' technische Rundschau«, 22. Jahrgang 1960/61, Nr. 7,252 - 259, beschrieben sind. Sie bestehen aus den permanentmagnetischen Statorringen 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 abstoßen. 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 Trockengleitlager. Die Lager bestehen rotorseitig 8 aus einem zähen verschleißfesten Werkstoff, beispielsweise einer guten Lagerbronze oder einer Goldlegierung, 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 Magnetlager 6,7.

Die Kraftmeßdosen 10 sind jeweils auf einer in axialer Richtung verstellbaren 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 Vcrstellmotoren 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

i" 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.

Die F i g. 2 zeigt die Einzelheiten der Kraftmeßdosen

η 10 aus Fig. 1. Man erkennt die Lagerlauffläche 18 auf einem geschliffenem Lagerelement 9 aus Hartmetall. Letzteres ist elektrisch isoliert auf einer Fcdcrmcrnbran 19 befestigt. Sie ist auf dem im Vergleich zum Membran 19 sehr steifen Gehäuse 20 der Kraftmeßdose 10 aus

2(i F i g. 1 befestigt. Im Innenraum der Dose 10 aus F i g. 1 sind zwei Kontaktelemente 21, 22, eines mit der Membran und eines mit dem Gehäuse 20 fest verbunden. Letzteres 22 kann bei der Montage so justiert werden, daß die Kontaktelemente 21, 22 sich

r> berühren, sobald eine auf die Lauffläche 18 drückende Kraft einen vorgegebenen Wert überschreitet. Das Kontaktelement 22 ist elektrisch isoliert befestigt und mit einer elektrischen Leitung 23 zum Steuergerät versehen. Eine weitere elektrische Leitung 24 ist mit

j» jedem der beiden Lagerelemente 9 verbunden, so daß die Berührung des Rotors mit beiden Lagerelementen 9 durch Stromdurchgang festgestellt werden kann.

Wirkungsweise des Ausführungsbeispiels
,. nach F i g. 1 und 2

Die Lagerung besteht aus zwei gleichen Lagern (vgl. Punkt 1.1 der obenerwähnten Ausführungsmöglichkeiten für die Funktionselemente). Sie haben je einen Federkontakt 21, 22, der die Überschreitung der Soll-Auflagekraft anzeigt (vgl. 2.1). Beide Lager können durch Gewindebolzen 11 verstellt werden (vgl. 3.1). 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.

Wenn ein Kontakt 21/22 geschlossen ist, bedeutet dies eine Überschreitung der Soll-Auflagekraft 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 Gleichgewichtes 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

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 Fl, die Pfeile geben die Bewegungsrichtung des nicht rotierenden Teiles des jeweiligen Axiaflagers an.

	7	Kolor oben und	28 25 551	Bewegung	unlen	8	Kommentar
		unlen		oben
Tabelle 1		ja			O		richtig einge
Konlaklgabe			O		regelte Stelig.
Kraftmeßdose	ja	Knirimcl.klo.sc
oben	ja	unlen	1	1
nein	ja	nein	t	4
	nein		t	O	Regelvorgang
ja	nein	nein	J	1
nein	nein	ja	O	1
ja	ja	i
ja	nein
nein	ja
nein	*nrin**

Schematischc Darstellung der Regelung beim ersten Ausl'ührungsbeispiel. Das oben in Worten beschriebene Beispiel entspricht den Zeilen 2 oder 3.

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 Unterdrückung parasitärer Schwingungen erzielt, ohne daß weitere kompliziertere Vorkehrungen getroffen werden müßten.

Ein Nachteil der Ausführung nach F i g. 1 und 2 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 fühn. Das folgende Ausführungsbeispiel H vermeidet diesen Nachteil.

Ausführungsbeispiel Il

Die F i g. 3 zeigt eine Kraftmeßdose 10 aus F i g. 1 gemäß Punkt 22 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.

Diese Kraftmeßdose ist in eine Anordnung gemäß F i g. 1 eingebaut Die Möglichkeit des Stromdurchgangs über die Kontakte zwischen dem Rotor und den Axiallagern ist hier nicht vorgesehen.

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 Magnetkräfte auf eine der beiden Federn 23 und öffnen den dazugehörenden Kontakt 25/26.

Nach dem Einschalten der Regehing der Lager setzt sich der entsprechende Motor 13 in Bewegung und fahrt die Spindel 11 mit der Kraftmeßdose 10 und dem feststehenden Teil 9 des Lagers entgegen der axialen Magnetkraft

Dabei baut sich die axiale Magnetkraft 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. Damit befindet sich der Rotor in der Soll-Lage und der Rotorantrieb wird eingeschaltet.

Erlaubt die Stellung des anderen Lagers aber keinen genügend großen Weg, wird der Rotor 4 dieses

2-ϊ berühren und die Auflagekraft in diesem Lager steigt beim Weilerfahren 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

i(i nichtrotierenden 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

.Ti Pilgerschrittes der Rotor 4 langsam in die Zone des labilen Gleichgewichtes gefahren wird. Ist dieser Punkt erreicht, schaltet sich der Abtrieb des Rotors ein und bleibt auch bei weiteren Regelvorgängen eingeschaltet.

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 Normalsteilung 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.

Tabelle 2	ja	Bewegung	unten	gut
Kontakt	ja nein nein	oben	0	Regel vorgang
		0	•1
	I 0 t
55 Kraftmeßdose oben unten
ja
60 ^nein ja nein

Schematische Darstellung der Regelung beim zweiten Ausführungsbeispiel: Die Überschreitung der Soll-Anflagekraft bei Lager oben bzw. unten öffnet den entsprechenden Kontakt Die Logikschaltung steuert dann die Stellmotoren so, daß die nicht-rotierenden Teile der Lager in den angegebenen Pfeilrichtungen bewegt werden.

Die vorgenannten Federn wirken durch die Vorspannung im Normalfall (beide Kontakte geschlossen) wie starre Anschläge, und es ist leicht einzusehen, daß Axialschwingungen des Rotors dadurch vermieden werden. Der Rotor berührt aber nur noch eines der gleichberechtigten Axiallager, was zu einer bistabilen Rotorlage führt.

Die beiden bishur beschriebenen Ausführungsbeispiele haben bezüglich Lagerung von Rotoren in Turbomolekularpumpen den Nachteil, daß auf der Ansaugseite ein Motor und ein Getriebe in einer vakuumdichlen Kapsel untergebracht werden müssen. Dies kann zu rekativ großen Kapseln und damit zu unerwünscht hohen Strömungswiderständen führen. In dem folgenden Ausführungsbeispiel wird dieser Nachteil vermieden.

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Beschreibungeines
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. Die Funktionsweise dieses Ausführungsbeispiels kann aus Tabelle 3 entnommen werden. Vorteilhafterweise wird eine Kraftmeßdose nach F i g. 3 verwendet.

Tabelle	3	unten	Bewegung	Axial	Kommentar
Kontaktgabc		(linien)	lager
	ja	Radial-	0
oben	ja	liigcr	0
		0		gut
ja	nein	t	1	Regel
nein				vorgang
	nein	t	i
ja				Rückhol
	t		vorgang
nein

Schematische Darstellung der Regelung beim 3. Ausrührungsbeispiel: Die Pfeile geben die Richtung der Bewegung, die durch die Logikschaltung infolge der jeweiligen Kontaktgabe erzeugt wird. Kine Abwärtsbewegung des unteren Radiallagers bcwirkl eine Entlastung des unteren Axiallagers und umgekehrt.

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 erfindungsgemäßen Lagerung auch dort ihre Bedeutung haben.

Ebenfalls wegen der Übersichtlichkeit werden die Ausführungsbeispiele auf einfache Schaltpunkt-Regelsysteme beschränkt. Die Kraftmeßmethoden gemäß Punkt 2.3 und 2.4 der Ausführungsmöglichkeiten der Funktionselemente erlauben natürlich die Realisierung von Proportional-Regelsystemen und damit die Stabilisierung der Auflagekraft auf einem Sollwert Eine ins Einzelne gehende Darstellung solcher Regelsysteme würde aber keine grundsätzlich neuen Merkmale liefern, da auf das zweite Axiallager aus Sicherheitsgründen nicht verzichtet werden sollte. In allen Fällen sind die Einstellgeschwindigkeiten sehr niedrig, z. B. 1 μ/s, um

so die Massenkräfte so gering zu halten, daß der Regelvorgang nicht gestört ist.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche: j-; ti

1. Lagerung eines Rotors (4), besiehend aus einer permanent-magnetische Lagerelemente (6, 7) an Rotor (4) und nicht rotierendem Teil (1, 2, 3) aufweisenden, berührungsfreien, magnetischen Radiallagerung, die in axialer Richtung eine labile Gleichgewichtslage des Rotors (4) ergibt und wenigstens einem, einseitig wirksamen, mechanisehen Axiallager (8,9), das den Rotor (4) in der Nähe der labilen Gleichgewichtslage hält, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht rotierende Teil (9) des Axiallagers einen Meßfühler enthält, der ein Meßsignal, welches ein Maß für die axiale Auflagekraft, mit welcher die rotierende auf die nicht rotierende Lauffläche des Axiallagers drückt, darstellt, an eine Regelvorrichtung gibt, welche den jeweiligen Unterschied der axialen Lage des Rotors (4) von seiner labilen Gleichgewichtslage so begrenzt, daß die Auflagekraft unterhalb eines vorgegebenen Wertes gehalten wird, indem bei zu großer Auflagekraft der erwähnte Lageunterschied automatisch durch axiale Verschiebung der Radiallagerelemente (6,7) gegeneinander verringert wird.

2. Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf beiden Seiten des Rotors (4) geregelte einseitig wirksame Axiallager (8, 9) vorgesehen sind.

3. Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht rotierende Teil (6) eines Radiallagers in axialer Richtung automatisch einstellbar ist.

4. Lager nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Axiallager (8,9) jeweils eine konvex gekrümmte und eine ebene Lauffläche aufweisen.

5. Lagerung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ebene Lauffläche härter ist als die gekrümmte Lauffläche.

6. Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler aus einer Feder (19 bzw. 25) besteht, die mit ihrer Einspannseite fest mit dem Getriebe (12) oder mit dem nicht rotierenden Teil (6) des magnetischen Radiallagers verbunden ist, während an der Ausschlagseite der Feder (19 bzw. 25) die Lauffläche angeordnet ist und ebenfalls an der Ausschlagseite der Feder oder an deren Verlängerung ein Schaltkontakt (21, 22) angebracht ist.

7. Lagerung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (25) unter Vorspannung an einem Anschlag (26) anliegt und bei Überschreitung einer vorgegebenen Kraft sich von dem erwähnten Anschlag (26) löst und dabei einen elektrischen Kontakt betätigt.

8. Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler ein Thermoelement zur Messung der Läufertemperatur enthält, das an der Lauffläche oder in deren unmittelbarer Nähe angebracht ist, und daß das daraus hervorgehende Signal an die Regelvorrichtung gegeben wird.

9. Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Lage der nicht rotierenden Teile (9) der Axiallager mit Hilfe jeweils einer durch einen von der Regelvorrichtung beaufschlagten ' Servomotor (13) betätigten Mechanik, z. B. Gewindespindel, Exzenter oder Zahnstange, eingestellt werden kann.