DE3019227A1

DE3019227A1 - Turbomolekular-vakuumpumpe

Info

Publication number: DE3019227A1
Application number: DE19803019227
Authority: DE
Inventors: Akira Yamamura
Original assignee: Cambridge Thermionic Corp
Current assignee: Cambridge Thermionic Corp
Priority date: 1979-05-21
Filing date: 1980-05-20
Publication date: 1980-12-04
Also published as: GB2052807A; JPS5612095A; US4312628A; FR2457397A1

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. Cu 3OWW2¹? ^h

Dipl.-Ing. Günther Koch

Il Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: ₂0 . Mai 19 80

Unser Zeichen: 16 911 - Pk/Vi

CAMBRIDGE THERMIONIC CORPORATION
CAMBRIDGE, Massachusetts,
U. S. A.

Turbomolekular-Vakuumpumpe

0300A9/0786

Die Erfindung'bezieht-""sich auf eine Turbomolekular-Vakuumpumpe mit einem Pumpengehäuse, einem vertikal ausgerichteten hohlen Pümpenrotor, der in dem Gehäuse angeordnet ist, einer vertikal ausgerichteten und an dem Pumpengehäuse befestigten Welle, die sich im Inneren des Pumpenrotors erstreckt, und mit magnetischen Lagereinrichtungen für den Pumpenrotor.

Es ist eine Turbomolekular-Vakuumpumpe bekannt (US-Patent schriftH 023 920) bei der magnetische Lagereinrichtungen sowohl für die Radial- als auch die Axialrichtung vorgesehen sind. Diese Lagereihrichtungen sind mit Servosteuereinrichtungen verbunden, um die Lagereinrichtüngen in der Axial- und Radialrichtung zu stabilisieren. Für beide Lagerrichtungen sind zusätzliche iLägerflächen vorgesehen, die die Ρμιηρβ bei einem Ausfall der magnetischen Lagereinrichtungen schützen. Die bekannten magnetischen Lägereinrichtungen sind vollständig als elektromagnetische Lagereinrichtungen ausgeführt,so daß sie während der gesamten Betriebszeit der Pumpe Leistung verbrauchen und damit Wärme erzeugen. Auf Grund des hohen Vakuums ist die Wärmeableitung schwierig,so daß es erforderlich ist, ein Kühlgas oder ein Kühlströmungsmittel durch die Pumpe zu leiten, um eine ausreichende Kühlung zu erzielen. Weiterhin bedeutet eine größere Wärmeentwicklung, daß sich ein verstärktes Ausgasen aller Bauteile, einschließlich der Metallteile, der elektrischen Isolatoren und anderer Materialien ergibt.

Für Raumfahrtanwendungen sind weiterhin magnetische Lagereinrichtungen bekannt, die eine Betriebsleistung von praktisch ■Null benötigen- --(US- Patentschrift 3 86Ο 300). Bei dieser bekannten Lagereinrichtung werden sowohl Permanentmagnete als auch Elektromagnete- verwendet. Die Permanentmagnete übernehmen die Lasttragfunktion im eingeschwungenem Zustand, während die Elektromagnete die Antriebsleistung zur Bewegung der gelagerten Struktur auf eine neue Neutralkraft-Position bei Vorhandensein einer andauernden Störkraft liefern. Auf diese Weise verbrauchen die Elektromagnete im eingeschwungenem Zustand eine Betriebsleistung, die praktisch gleich Null".ist.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Turbomolekular-Vakuumpumpe der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei vereinfachtem Aufbau eine geringere Wärmeentwicklung und damit verringerte Ausgasungs-Probleme aufweist und bei der sich eine verbesserte Steuerwirksamkeit für die magnetische Lagereinrichtung ergibt.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebene Erfindung gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Turbomolekular-Vakuumpumpe benötigt lediglich eine einzige Steuerachse und entsprechend lediglich ein Servosteuernetzwerk. Weiterhin wird für die Steuerung im eingeschwungenem Zustand keine Betriebsleistung benötigt/so.daß sich ein wirkungsvollerer Betrieb der Turbomolekular-Vakuumpumpe ergibt, die weiterhin weniger aufwendig in der Herstellung und Wartung ist und deren Betriebseigenschaften verbessert sind. Die Verbesserung der Betriebseigenschaften ergibt sich aus der Verringerung der Anzahl der Steuereinrichtungen und aus der sehr .geringen Wärmemenge, die beim Betrieb der magnetischen Lagereinrichtungen erzeugt wird, so daß die erwähnten Probleme des Ausgasens der 3auteile der Pumpe beträchtlich verringert werden und komplizierte Kühlvorrichtungen oder -Anordnungen entfallen können. Weiterhin ergibt sich eine wesentlich verbesserte Stabilität bzw. Lagersteifigkeit der Pumpe.

Die erfindungsgemäße Turbomolekular-Vakuumpumpe weist lediglich für eine einzige Achse ein magnetisches Lagersystem auf, das sowohl Permanent- als auch Elektromagnete verwendet. Ein Meß- und Steuersystem mit einer Betriebsleistung, die im eingeschwungenem Zustand praktisch gleich Null ist, wird dazu verwendet, den ßetriebsleistungsverbrauch im eingeschwungenem Zustand zu verringern,so daß Kühl- und Ausgasungsprobleme praktisch beseitigt sind. Der Rotor wird mit Hilfe eines bürstenlosen Gleichstrommotors oder eines Hysteresemotors angetrieben.

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Vorzugsweise ist eine Anzahl von mechanischen Lagerstrukturen vorgesehen, um die Pumpe bei Ausfall des magnetischen Lagersystems zu schützen und um für diesen Fall eine radiale Lagerung zu erzielen, wie dies erforderlich ist. Diese mechanische Lagerstruktur wird vorzugsweise durch zwei zusammenpassende kegeistumpfförmige Oberflächen an dem Rotor und an der vertikalen Statorwelle gebildet. Bei Ausfall der magnetischen Lagereinrichtung würde der Rotor in radialen und axialen Richtungen durch die zusammenpassenden kegeistumpfförmigen Oberflächen gelagert.

Die Permanentmagnete sind vorzugsweise aus Seltene-Erden-Materialien hergestellt, wie z.3. Samarium-Kobalt. Die Elektromagnet e können in ihren jeweiligen Aufnahmeöffnungen durch Glasfaser- oder andere geignete Materialien abgedichtet angeordnet sein.

Weiterhin sind vorzugsweise vorgegebene Werte für das Verhältnis der Länge zum Durchmesser des Rotors sowie für die Anzahl und Anordnung der Hohlflächen vorgesehen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.

In der Zeichnung ist eine Turbomolekular-Vakuumpumpe dargestellt.

In der Zeichnung ist eine Ausführungsform der Turbomolekular-Vakuumpumpe 10 gezeigt, die einen Pumpenrotor 16 und eine normalerweise vertikal ausgerichtete Statarwelle 18 aufweist. Ein Motor 70, der vorzugsweise entweder ein bürstenloser Gleichstrommotor 'oder ein Hysteresemotor ist, treibt den Rotor mit einer Drehzahl von zumindestens 30 000 Umdrehungen pro Minute an. An dem Rotor ist eine Anzahl von Turbinenschaufeln 50 befestigt. An dem Stator ist eine Anzahl von Schaufeln 52 befestigt. Diese Schaufeln arbeiten in der üblichen Weise von Turbomolekularpumpen-Schaufelri.

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3O^l1S227

Im Normalbetrieb ist der Rotor 16 um die Statorwelle 18 herum durch eine magnetische Lagerbaugruppe 15, 115 gelagert. Obere und untere Magnetspulen 14, 114 sind in Schlitze oder Nuten 16, 116 gewickelt, die in einem Weicheisenkern ausgebildet sind. Die Magnetspulen werden aus einer nicht darge*- stellten Leistungsquelle gespeist und bilden Elektromagnete. Weiterhin sind Permanentmagnete 24, 124 in in dem Weicheisenkern ausgebildeten Schlitzen angeordnet. Die Permanentmagnete 24, 124 können aus Seltene-Erden-Materialien, wie z.B. Samarium-Kobalt gebildet sein.

Die magnetische Lagereinrichtung mit einer Betriebsleistung im eingeschwungenem Zustand, die im wesentlichen gleich Null ist, ist ausführlich in der US-Patentschrift 3 860 300 beschrieben, auf die hier "ausdrücklich verwiesen werden soll. In dieser Patentschrift ist ein elektronisches Meßfühler- und Steuersystem beschrieben, bei dem eine Änderung der Position und/oder die Änderungsgeschwindigkeit dieser Position gemessen werden. Diese Signale werden einem Differenzverstärker zugeführt, der unterschiedliche Ausgangsbetriebsleistungen an die oberen und unteren Wicklungen 14, Il4 liefert, um den gelagerten Körper in einer Position zwischen den Polflächen zu halten, in der im eingeschwungenem Zustand keine Betriebsleistung erforderlich ist, um den Körper gelagert zu halten, wenn eine andauernde Störkraft auftritt. Wie dies aus der Zeichnung zu erkennen ist, ist ein Positionsmeßfühler an der Welle 18 befestigt. Der Meßfühler 28 kann entweder ein Wirbelstrommeßfühler oder ein kapazitiver Meßfühler sein. Ein poliertes Zielelement 32 kann an dem Rotor befestigt sein, um die Genauigkeit des Meßfühlers zu verbessern und um die erzeugten Stör- und Rauschsignale zu Verringern. Eine Änderungsgeschwindigkeits-Wicklung 30 ist an der Welle 18 befestigt. Der Magnetfluß des Permanentmagneten 32 wird durch die Wicklung 30 gemessen, so daß eine Änderungsgeschwindigkeitsinformation erzeugt wird, die von dem nicht dargestellten Servoverstärker verwendet wird.

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Fast der gesamte von den Permanentmagneten und den Elektromagneten erzeugten Magnetfluß verläuft durch die Polflächen 40, 42, 44, 46, in der oberen Magnetbaugruppe und durch die PbIflachen 14.0, 142, 144, 146 in der unteren Magnetbaugruppe,

Bei der dargestellten Ausführungsform befindet sich der Rotor außerhalb des Stators. Der Rotor weist sich in Radialrichtung nach innen erstreckende Arme 32, l82 auf, die an dem Rotor ausgebildet oder befestigt sind. Die Polflächen 42, 46, l42, l46 erstrecken sich von den Armen 82, 182. Abgewinkelte geneigte Oberflächen 60, l6o sind an den Armen 82, 182 ausgebildet jso^; daß sie mit angepaßten Oberflächen 62, 162 in Eingriff kommen können, die .an der Statorwelle 18 ausgebildet sind. Diese angepaßten Oberflächen 62, 162 sind als Teil einer aus korrosionsbeständigem Stahl bestehenden Lagerstruktur ausgebildet, die erforderlichenfalls eine radiale Halterung für den Rotor über aus korrosionsbeständigem Stahl oder Polyamid bestehende Lager 72, 172 und korrosionsbeständige Stahloder Polyamidlagerhülsen 76, 176 ergibt. Die Lagerhülsen 76, 176 weisen sich normalerweise horizontal erstreckende Oberflächen 78, 178 auf, die eine gewisse vertikale Lagerung für den Rotor bei Ausfall des magnetischen Lagersystems ergeben.

Die miteinander; in Eingriff kommenden Lagerflächen 60, 62, und 160, 162 sind kegelstumpfförmig ausgeformt. Bei Ausfall des magnetischen Lagersystems bewirken die geneigten Oberflächen eine Aufrechterhaltung der zentrierten Lage des Rotors gegenüber dem Stator, so daß Schäden an dem Rotor verhindert werden.

Weil die vorstehend beschriebene Ausführungsform der Turbomolekular-Vakuumpumpe Permanentmagnete und eine Positionssteuerung mit einer Betriebsleistung von praktisch Null im eingeschwungenem Zustand verwendet, reicht die Hinzufügung einer kleinen Energiespeicherquelle, wie z.B. einer Batterie aus, um den Rotor über ein erhebliche Zeitperiode in geeigneter Weise während seiner Rotation zu steuern so daß eine Fehlerquelle für den Ausfall der magnetischen Lagerungen beseitigt wird, die das Abschalten

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und gegebenenfalls eine Zerstörung des Systems hervorrufen kannj wenn die Betriebsleistuns ausfällt.

Das Verhältnis der Länge des Rotors zu seinem Durchmesser sollte gleich:

D = LI/ V

12K_x

sein, worin K und K die radiale bzw. axiale Steifigkeit ist» Sobald L ausgewählt wurde, kann der beste Durchmesser D für eine gute Torsionssteifigkeit der magnetischen Lagerung aus der vorstehenden Gleichung ermittelt werden..

Die Feststellung der Tatsache, daß eine magnetische Einzelachsen-Lagerung in Verbindung mit einer optimalen L/D-Beziehung und der Verwendung, des Grundgedankens der magnetischen Lagerung mit einer Betriebsleistung von praktisch Null bei einer Turbomolekular-Vakuumpumpe ausgezeichnete Ergebnisse liefert, stellt einen beträchtlichen Fortschritt in der Technik derartiger Pumpen dar. Der Gewinn an Einfachheit, die Verringerung der erzeugten Wärme und der Ausgasung ergeben wesentliche Vorteile für die Anwender derartiger Turbomolekular-Vakuumpumpe.

Selbstverständlich sind Abänderungen der dargestellten Ausführungsform innerhalb des Rahmens der Erfindung ohne weiteres möglich.

Wie dies in der Zeichnung gezeigt ist, weisen die inneren Polflächen 44, 46, 144, 146 zwei Polflächen auf. Die äußeren Polflächen 40, 42, l40, 142 sind einstückige Polflächen. Die Fläche der Polfläche 40 ist im wesentlichen gleich der Polfläche der beiden Polflächen 44. Die gleiche Beziehung besteht zwischen der Polfläche l4o und den beiden Polflächen l44. In gleicher Weise ist die Fläche der Polfläche 40 im wesentlichen gleich der Polfläche 42. Die Fläche der Polflächen 44 "ist im wesentlichen gleich der Fläche der Polflächen 46. Im Betrieb nähert

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/11

sich die Flußdichte in den Polflächen (Einschniirungsringen) dem Sättigungspunkt des Weicheisens. Die Flußdichte in den anderen Teilen des /ieicheisenmaterials liegt jedoch ausreichend weit-unterhalb der Sättigungspegel.

Wie dies in der Zeichnung zu erkennen ist,sind die Weicheisenteile der Struktur an der Außenseite des Rotors und des Stators angeordnet, so daß die Struktur leichter maschinell zu bearbeiten ist. Auf diese Weise werden die Herstellungskosten verringert.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die radiale Steifigkeit niedrig ist und die radiale Dämpfung hoch ist. Die Wellenresonanz wird oberhalb der konstruktiv festgelegten Drehzahl gehalten. Die konischen mechanischen Lager tragen zur Stabilität bei Ausfall eines magnetischen Lagers oder bei Ausfall der Betriebsleistung bei.

Das L/D-Verhältnis sollte im Bereich von 2,5 bis 3,5 liegen, um die-vorteilhaftesten Ergebnisse zu erzielen. L ist der axiale Abstand zwischen den Polflächen während D der Außendurchmesser der Polflächen ist. Wenn dieses Verhältnis kleiner als 2,5 ist,so stellt die statische Instabilität ein Problem dar. Wenn dieses Verhältnis größer als 3,5 ist, so ergibt sich eine dynamische Instabilität. Wenn dieses Verhältnis für die äußeren Polflächen erfüllt istjSO sind auch die inneren Polflächen stabil.

Es wurde weiterhin erfindungsgemäß festgestellt, daß das Verhältnis der radialen Steifigkeit zur axialen Steifigkeit im Bereich von ungefähr 1 bis 7 liegen sollte, damit sich eine gute Stabilität in einem Einachsen-Steuersystem ergibt. Diese geringe Radialsteifigkeit und große Radialdämpfung ermöglicht die Steuerung in einer Achse,wobei die kegelstumpfförmige mechanische Lagerung einen zuverlässigen Schutz bei Ausfall der magnetischen Lagerung oder bei großen äußeren Kräften ergibt. Die genannte Anzahl der Polschuhflächen trägt zur Verbesserung

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der Lagerung bei, und zwar ebenso wie das genannte optimale Verhältnis von L/D. '

Claims

Patentanwälte. Dipl.-Ing. C u rt Wal I ach Dipl.-Ing. Günther Koch Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

3019227 Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · KaufingerstraBe 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

"■""■■■=■■'■ Datum: 20. Mai I98O

Unser Zeichen: ^ 911 - Fk/Vi

FA T EN T A N S P R ü C H E :

Turbomolekular-Vakuumpumpe mit einem Pumpengehäuse, einem vertikal ausgerichteten hohlen Pumpenrotor, der in dem Gehäuse angeordnet ist, einer vertikal ausgerichteten und ah dem Pumpengehäuse befestigten Welle, die sich im Inneren des Pumpenrotors erstreckt, und mit magnetischen Lagereinrichtungen für den Pumpenrotor,
dadurch gekennzeichnet, ■

daß die magnetischen Lagereinrichtungen erste und zweite Permanentmagnetelemente (2^, 12*1), die an der vertikal ausgerichteten Welle (l8) befestigt sind, und erste und zweite Elektromagnet-Elemente (14, 114) einschließen,die an der vertikal ausgerichteten Welle befestigt sind, daß .-Meßfühlereinrichtungen (28, 30, 32) zur Messung einer Änderung der Position des Pumpenrotors (16) gegenüber der vertikal· ausgerichteten Welle (l8) vorgesehen sind, und daß die Ausgangssignale der Meßfühlereinrichtungen (28, 30, 32) einer Steuereinrichtung zugeführt werden, die die Position des Pumpenro.tors (16) gegenüber der vertikal ausgerichteten Welle (18) derart steuert, daß eine neue neutrale Position erreicht wird, in der trotz des Vorhandenseins einer andauernden Störkraft keine Steuerleistung erforderlich ist. ■. -
2. Turbomolekular-Vakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,.

daß die ersten und zweiten Elektromagnetelemente (14, H¹O durch die Steuereinrichtungen unabhängig voneinander ge-. steuert werden.

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3. Turbomolekular-Vakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, ΐ

daß der hohle Pumpenrotor (16) eine Drehachse aufweist und daß die Permanentmagnetelemente (24, 124) und die Elektromagnetelemente (14, 114) resultierende Kräfte lediglich in Axialrichtung erzeugen.
4. Turbomolekular-Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

daß der Pumpenrotor (16) erste und zweite Enden aufweist, daß die vertikal ausgerichtete Welle (18) erste und zweite Enden aufweist und daß die Elektromagnetelemente (14, 114) und die Permanentmagnetelemente (24, 124) derart an der vertikal ausgerichteten Welle (18) in der Nähe ihrer Enden angeordnet sind, daß Polstücke (40, 42, 44, 46, l40, 142, 144, 146) zwischen den jeweiligen ersten und zweiten Enden des Pumpenrotors (16) und der vertikal ausgerichteten Welle (18) ausgebildet werden.
5. Turbomolekular-Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

daß Geschwindigkeitsmeßeinrichtungen (30) an der vertikal ausgerichteten Welle befestigt sind, um die Änderungsgeschwindigkeit der Position des Pumpenrotors (16) zu messen, und daß das Ausgangssignal der Geschwindigkeitsmeßeinrichtungen .den Steuereinrichtungen zugeführt wird.
6. Turbomolekular-Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden, Ansprüche,

gekennzeichnet durch eine elektrische Antriebseinrichtung (70) für den Drehantrieb des Rotors (16) , die durch einen bürstenlosen Gleichstrommotor gebildet ist.
7. Turbomolekular-Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

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daß erste und zweite aus korrosionsbeständigem Stahl bestehende Kugellagerbaugruppenteile (82, 182, 76, 176, 72, 172) zwischen dem Pumpenrotor (16) und der vertikal ausgerichteten Welle (18) angeordnet sind.

Turbomolekular-Vakuumpumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

daß der Pampenrotor (16) und die vertikal ausgerichtete Welle (18) erste und zweite aneinander angepaßte kegelstumpfförmige Lagerflächen (60, 62, I60, l62) zur Lagerung des Pumpenrotors bei Ausfall der magnetischen Lagereinrichtung aufweisen.

Turbomolekular-Vakuumpumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,

daß die ersten und zweiten Kugellagerbaugruppenteile horizontale Lagerflächen zur Lagerung eines Teils der Last aufweisen, die auf die kegeistumpfförmigen Lagerflächen übertragen wird.

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