DE3204750A1

DE3204750A1 - Magnetisch gelagerte turbomolekularpumpe

Info

Publication number: DE3204750A1
Application number: DE19823204750
Authority: DE
Inventors: Willi Ing Grad Dr Becker
Original assignee: PFEIFFER VAKUUMTECHNIK; Arthur Pfeiffer Vakuumtechnik Wetzlar GmbH
Current assignee: PFEIFFER VAKUUMTECHNIK; Arthur Pfeiffer Vakuumtechnik Wetzlar GmbH
Priority date: 1982-02-11
Filing date: 1982-02-11
Publication date: 1983-08-25
Also published as: NL8300105A; JPH0436278B2; US4502832A; IT8319487A1; IT8319487A0; BE895866A; IT1161570B; FR2521230B1; JPS58148296A; GB2114663A; GB2114663B; DE3204750C2; FR2521230A1

Description

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ARTHUR PFEIFFER VAKUUMTECHNIK WETZLAR GMBH Magnetisch gelagerte Turbomolekularpumpe

Die Erfindung betrifft eine magnetische Lagerung für Rotoren von Turbomolekular-Vakuumpumpen, bei der die vier radialen Freiheitsgrade eines Rotors durch passive magnetische Radiallager stabilisiert werden und der axiale Freiheitsgrad durch trocklaufende mechanische Axiallager abgestützt wird. Diese axiale Lagerung erfolgt derart, daß die axiale Lage des Rotors in einer solchen Position gehalten wird, in der die Auflagekraft des Rotors immer unterhalb eines vorgegebenen Wertes bleibt.

Eine solche Lagerung wird in der Deutschen Auslegeschrift 28 25 551 beschrieben. Dabei werden die radialen Freiheitsgrade durch nichtgeregelte magnetische Radiallager festgehalten. Diese Radiallager bestehen aus permanent magnetischen Baugruppen, die an rotierenden und nichtrotierenden Teilen radial entgegengesetzt magnetisiert angebracht sind. Diese Art der Lagerung bewirkt jedoch eine labile Gleichgewichtslage in axialer Richtung. Wenn sich also der Rotor geringfügig aus der axialen labilen Gleichgewichtslage herausbewegt, treten Kräfte auf, die ihn weiter aus der Gleichgewichtslage

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entfernen. Diese Kräfte wachsen mit dem Abstand von der Gleichgewichtslage an, so daß der Rotor mit einem Vielfachen seines Gewichtes auf die axiale Lagerung drückt. In der Deutschen Auslegeschrift 28 25 551 wird beschrieben, wie diese Kräfte unterhalb eines vorgegebenen Wertes gehalten werden.

Durch Kraftmeßeinrichtungen wird ihre Größe registriert. Überschreiten sie einen bestimmten Wert,'so wird ein Regelmechanismus in Gang gesetzt, der den Rotor in der Nähe der labilen Gleichgewichtslage hält, so daß die axialen Auflagekräfte einen vorgegebenen Wert nicht überschreiten. Diese Art der Lagerung wird in der erwähnten Auslegeschrift in drei verschiedenen Ausführungsformen beschrieben, die jedoch im praktischen Anwendungsfalle wesentliche Nachteile aufweisen, die im folgenden aufgeführt sind:

a) Die axiale Lage des Rotors wird durch eine elektrische Durchgangsmessung registriert. Dabei sind die Kontakte geschlossen, wenn sich der Rotor in der labilen Gleichgewichtslage innerhalb der vorgegebenen Grenzen befindet, und sie werden jeweils geöffnet, sobald sich der Rotor nach der einen oder anderen Seite aus dieser vorgegebenen axialen

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Lage herausbewegt. Diese Anordnung hat den Nachteil, daß bei den bei Turbomoleku1arpumpen üblichen sehr hohen Drehzahlen die Kontaktgabe sehr unsicher ist und deshalb keine sauberen Regelsignale zu erhalten sind. Außerdem stört das erforderliche Verstellgetriebe auf der Hochvakuumseite sehr,da es viel Platz einnimmt und so u.a. den Eingangsleitwert der Pumpe empfindlich verringert.

b) Die axiale Lage des Rotors wird durch eine Kraft-Meßein-

richtung auf beiden Seiten des Rotors registriert und durch Verstellgetriebe ebenfalls auf beiden Seiten des Rotors geregelt. Diese Anordnung hat folgenden Nachteil:

Turbomolekularpumpen werden in der Regel zur Erlangung eines hohen Endvakuums ausgeheizt. Durch die Erwärmung dehnt sich das Gehäuse. Da die nicht-rotierenden Teile des mechanishen Axiallagers fest mit dem Gehäuse verbunden sind, vergrößert sich somit der Abstand im Axiallager zwischen Auflagefläche und Rotorzapfen. Liegt der Rotor an der oberen Auflagefläche des mechanischen Axiallager an, so wird die Regelung wirksam und die Dehnung wird ausgeregelt. Liegt der Rotor hingegen an der unteren Auflagefläche des mechanischen Axiallagers an, dann bewegt sich die obere Auflagefläche durch die Ausdehnung vom Rohr weg und die

Regelung kann nicht ansprechen, weil hierbei die vorgegebener Kraft nicht überschritten wird. Wenn nun z.B. durch einen Stoß der Rotor auf die andere Seite des mechanischen Axiallagers springt, kann er sich in großer Entfernung von der labilen Gleichgewichtslage und somit weit außerhalb der vorgegebenen Grenzen befinden, wodurch unzulässig hohe Auflagekräfte entstehen können. Ein weiterer Nachteil stellt wie unter a) der große Platzbedarf des Verstellgetriebes auf der Hochvakuumseite dar.

c) Um den erwähnten Nachteil des Verstellgetriebes auf der Hochvakuumseite zu vermeiden, wird in der erwähnten Auslegeschrift eine weitere Anordnung vorgestellt, bei der sich auf der Hochvakuumseite kein Getriebe befindet. Hierbei erfährt der Zapfen des unteren mechanischen Axiallagers volle Abnutzung, die in der Größenordnung von einigen mm liegen kann. Dies kann in Kauf genommen werden, wenn die Anordnung entsprechend ausgelegt ist. Am oberen Lager bedeutet eine Abnutzung jedoch ein Ausweichen aus.der labilen Gleichgewichtslage. Dies ist sehr kritisch, wie folgendes Beispiel zeigt: Bei einer axialen, labilen Steifigkeit von 300 N/mm und einer vorgegebenen Auflagekraft von 1 N darf die Auslenkung des Rotors aus der labJ4eR Gleichgewichtslage nicht größer als 1/300 mm sein. Dies bedeutet, daß bei größerer Auslenkung die Lebensdauer des Rotorzapfens sehr begrenzt ist.

Ziel der Erfindung ist es, eine magnetisch gelagerte Turbomolekularpumpe, wie sie im Oberbegriff des 1.Anspruchs beschrieben ist, vorzustellen, die jedoch die geschilderten Nachteile nicht mehr aufweist. Insbesondere soll sich auf der Hochvakuumseite kein Getriebe mehr befinder. Eine plötzliche, durch Erwärmung des Gehäuses verursachte unzulässige Erhöhung der axialen Auflagekraft des Rotors soll vermieden und eine hohe Lebensdauer der mechanischen Axiallager trotz Abnutzung der Rotorzapfen erreicht werden.

Die Lösung der Aufgabe besteht darin, daß die obere und die untere Magnetlager-Halterung mit dem Pumpenstator als Baueinheit zusammengefaßt und in Gehäuse axial verschiebbar angeordnet wird. Die untere Magnetlagerung ist mit einer Plattform verbunden, die das Getriebe zur Einstellung des unteren Magnetlagers trägt, womit dieses gegenüber der erwähnten Baueinheit axial verschiebbar ist. Das obere Axiallager ist im oberen Gehäuse fest angeordnet. Durch ein zweites Verstellgetriebe kann die Baueinheit, bestehend aus oberer und unterer Magnetlager-Halterung und dem Pumpenstator axial verschoben werden. Weiterhin ist eine elektromagnetische Anordnung vorhanden, die auf den Rotor kurze axiale Kraftimpulse ausübt, um diesen periodisch abwechselnd in Kontakt mit den beiden Laufflächen des mechanischen Axiallagers zu bringen, wodurch eine ständige Registrierung und Regelung der axialen Lage des Rotors ermöglicht wird.

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Anhand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden.

Die Zeichnung zeigt eine magnetisch gelagerte Turbomolekularpumpe nach dem Oberbegriff des 1. Anspruches. Im Gehäuse 1 einer Turbomolekularpumpe befindet sich der zu lagernde Rotoi: 2. In der oberen Magnetlagerhalterung 15 ist der nichtrotierende Teil 3 des oberen permanentmagnetischen Radiallagers befestigt. Diesem gegenüber befindet sich der rotierende Teil 4 des Magnetlagers. Entsprechend sind mit 21 die untere Magnetlagerhalterung mit 5, der nichtrotierende Teil und mit 6 der rotierende Teil des unteren permanentmagnetisehen Radiallagers bezeichnet. Die mechanischen Axiallager bestehen aus den rotierenden Zapfen 7 und 9 und aus den Auflageflächen 8 und 10. Der Antrieb erfolgt durch einen Elektromotor mit dem Rotor 11 und dem Stator 12. Der Stator 12 des Motors ist in der Halterung 19 befestigt. Die Auflagekräfte des Rotors auf die nicht rotierenden Teile 8 und 10 des mechanischen Axiallagers werden durch Kraftmeßeinrichtungen 13 und 14 registriert. Mit 16 und sind Ringe bezeichnet, die die Statorscheiben überbrücken bzw. diese einschließen. Die obere Magnetlagerhalterung 15, der Pumpenstator, der am äußeren Umfang durch die Ringe 16 und 17 gebildet wird, der Ring 18, die Halterung 19 für den Motors'tator, der Ring 20 und die untere Mag-

. ao.

netlagerhalterung 21 bilden eine im Gehäuse 1 verschiebbare Baueinheit. Diese Baueinheit wird durch die Federn zusammengehalten. Dabei muß die Vorspannung dieser Federn ein Vielfaches der größtmöglichen Kraft sein, die durch die axiale Labilität der Magnetlager erzeugt wird, da sonst die Baueinheit durch die Magnetkräfte auseinandergedrückt wird. Die Verschiebung der Baueinheit erfolgt durch die Getriebe 23 über die Stifte 28, wobei der Boden 29 als Abstützung dient.

An den Stiften 2 8 zwischen den Getrieben 2 3 und der unteren Magnetlagerhalterung 21 ist eine Plattform 22 befestigt. Diese trägt das Getriebe 24, welches die Kraftmeßeinrichtung 14 mit der Auflagefläche 10 des unteren mechanischen Axiallagers gegenüber der Baueinheit verstellen kann. Um zu verhindern, daß öldämpfe von den Getrieberäumen in den Vakuumraum gelangen, sind diese durch Faltenbälge 26 und 27 vom übrigen Vakuumraum getrennt.

Eine Anordnung, die aus der Tauchspule 3 0 und einem Permanentmagneten 31 mit radialem Magnetfeld besteht, übt auf den Rotor in vorgegeben Abständen kurze axiale Kraftimpulse aus. Diese Kraftimpulse können jedoch ebenso durch Elektromagnete erzeugt werden, die abwechseln kurzzeitig eingeschaltet werden.

abwechselnd positive und negative Stromimpulse auf die Tauchspule 30. Diese werden durch die.elektro-magnetisehe Einrichtung in Kraftimpulse auf den Rotor in axialer Richtung umgewandelt. Hat der Rotor keine Berührung mit einer der Auflageflächen, dann springt er durch den entsprechenden Impuls auf
deren Seite, und die Regelung setzt ggfs. ein.

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Durch die Kraftmeßeinrichtung 13 werden die Getriebe 23 und durch die Kraftmeßeinrichtung 14 das Getriebe 24 gesteuert. Ist zum Beispiel die Kraft an der Kraftmeßeinrichtung 13 zu groß, dann verschiebt das Getriebe 23 die Baueinheit und die mit der unteren Plattform verbundenen Teile auf das obere Lager hin. Dies entspricht einer Relativbewegung des Rotors gegenüber den übrigen Bauteilen nach unten, was zu einem Abbau der axialen Kraft führt. Dieser Vorgang hält so lange an, bis die" vorgegebene Kraft unterschritten ist.

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Ist die Kraft am unteren Geber 14 zu hoch, dann wird die Auflagefläche 10 durch das Getriebe 24 in Vorwärtsrichtung bewegt, so daß sich der Rotor nach oben verschiebt und somit die Kraft abgebaut wird. Zeigen beide Kraftmeßeinrichtungen eine zu hohe Kraft an, so laufen beide Getriebe in umgekehrter Richtung, womit die Auflageflächen der mechanischen Axiallager auseinandergefahren und somit entlastet werden.

Entsteht zum Beispiel durch thermische Ausdehnung des Gehäuses ein Luftspalt in einem mechanischen Axiallager zwischen Rotorzapfen und Auflagefläche, so wird dieser Zustand zunächst nicht durch die Regelung erfaßt. Ein Impulsgenerator überträgt in vorgegebenen Zeitabständen

Claims

320475Ό ARTHUR PFEIFFER VAKUUMTECHNIK WETZLAR GMBH Magnetisch gelagerte Turbomolekularpumpe Patentansprüche:

1.) Magnetisch gelagerte Turbomolekularpumpe, bei der die Lagerung gebildet wird aus einer in radialer Richtung stabilen und in axialer Richtung labilen magnetischen Radiallagerung, welche permanentmagnetische Lagerelemente an rotierenden und nichtrotierenden Teilen enthält und aus einer mechanischen Axiallagerung, welche aus rotierenden Laufflächen des Rotors und aus nichtrotierenden Abstützflächen mit Kraftmeßeinrichtungen und Verstellgetrieben besteht, wobei bei Überschreitung einer vorgegebenen Auflagekraft des Rotors auf ein mechanisches Axiallager, welcher Zustand durch die labile axiale Gleichgewichtslage des Rotors eintritt, der Rotor in der Nähe der labilen axialen Gleichgewichtslage in einer solchen Position gehalten wird, in der die Auflagekraft des Rotors auf der Abstützfläche immer unterhalb einer vorgegebenen Auflagekraft bleibt, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Magnetlagerhalterung (15), der Pumpenstator und die untere Magnetlagerhalterung (21) in einer Baueinheit zusammengefaßt sind, die im Pumpengehäuse (1) axial

verschiebbar ist , daß mit der unteren Magnetlagerhalterung (21) eine Plattform (22) verbunden ist, die das Getriebe (24) zur Einstellung des unteren Axiallagers (5,6) trägt, wobei das obere Axiallager (3/4) fest im Gehäuse (1) angeordnet ist, daß die Baueinheit, durch Verstellgetriebe (23) verschoben werden kann und daß eine elektromagnetische Anordnung (30,31) vorgesehen ist, die auf den Rotor (2) kurze axiale Kraftimpulse ausübt.

2. Magnetisch gelagerte Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellgetriebe (23,24) im Vorvakuum der Turbomolekularpumpe angeordnet sind.

3. Magnetisch gelagerte Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellgetriebe (23,24) außerhalb des Vakuums angeordnet sind.

4. Magnetisch gelagerte Turbomolekularpumpe nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß durch eine elektromagnetische Anordnung (30,31) in vorgegebenen Zeitabständen abwechselnd positive und negative Kraftimpulse in axialer Richtung auf den Rotor (2) ausgeübt werden.

5. Magnetisch gelagerte Turbomolekularpumpe nach den Anssprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Anordnung aus einer Tauchspule (30) und aus einem Permanentmagnetsystem (31) mit radialem Magnetfeld besteht.