DE3239328C2 - Magnetisch gelagerte Turbomolekularpumpe mit Schwingungsdämpfung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbomolekularpumpe mit passiven, radialen Magnetlagern und mit mechanischen oder elektro­ magnetischen Axiallagern.

Für die schmiermittelfreie Lagerung der Rotoren von Turbo­ molekularpumpen werden verschiedene Versionen von Magnet­ lagern benutzt. In der DE-AS 23 49 033 und in der FR 14 75 765 werden Turbomolekularpumpen mit aktiven, elektronisch gere­ gelten Magnetlagern beschrieben. In der DE-AS 28 25 551 ist eine Turbomolekularpumpe mit Hybridlagerung dargestellt. Hierbei wird der Rotor radial durch passive Magnetlager ge­ halten, während in axialer Richtung mechanische Stützlager vorhanden sind.

Bei beiden Arten der Lagerung verhalten sich die Rotoren wie elastisch gefesselte Kreisel. Somit sind verschiedene Schwin­ gungsmöglichkeiten gegeben. Die Schwingungen können von außen durch Erschütterungen angeregt werden oder wie z. B. bei der Anordnung in der DE-AS 28 25 551 durch Reibungskräfte im axialen mechanischen Stützlager entstehen. Folgende Arten von Rotor-Schwingungen sind in verschiedenen Frequenzbe­ reich möglich:

• 1. Präzessionsschwingungen mit einer Frequenz von etwa 0,1 Hz bis 10 Hz. Die Frequenz ist abhängig von der Drehzahl, den Trägheitsmomenten und den Federkonstanten der Lager des Rotors.
• 2. Parallel-Schwingungen des Rotors senkrecht zur Drehachse. Die Frequenzen dieser Schwingungen werden durch die Federkonstanten der Magnetlager und durch die Masse des Rotors festgelegt und liegen zwischen 30 Hz und 100 Hz.
• 3. Nutationsschwingungen, welche abhängig sind von der Drehzahl und vom Verhältnis der Trägheitsmo­ mente längs und quer zur Rotorachse. Sie treten in den Bereichen von 300 Hz bis 1500 Hz auf.

Um die möglichen Schwingungen zu vermeiden, können aktiv geregelte Magnetlager elektronisch gedämpft werden. Passive Magnetlagerungen, zum Beispiel nach dem Oberbegriff des er­ sten Anspruches und in der DE-AS 28 25 551 neigen bei starken Erschütterungen zum Schwingen in einer oder mehreren der oben genannten Arten. Besonders können Reibungskräfte beim Vorhandensein mechanischer Stützlager Nutationsschwingungen anregen. Überschreiten die Schwingungsamplituden in den Magnetlagern das vorhandene Freispiel, so muß der Rotor von den vorhandenen Fanglagern wieder in seine Ausgangsposition zurückgeführt werden, was eine starke Abbremsung und einen Verschleiß der Fanglager zur Folge hat. Dies gilt für alle Rotoren mit passiven radialen Magnetlagern ohne Rücksicht auf die Art der axialen Lagerung.

In der DE-OS 25 37 367 ist eine Turbomolekularpumpe mit mag­ netischer Lagerung dargestellt. Als Dämpfungselement ist hier eine Wirbelstromdämpfung vorgesehen. Diese wirkt jedoch nur auf die höheren Frequenzen.

In der DE-AS 26 58 925 und in dem Buch von M. Pollermann: "Bauelemente der physikalischen Technik", Springer-Verlag 1955, S. 97-98, sind mechanische Dämpfungselemente darge­ stellt, welche mittels eines Zwischenbauteiles auf einen Rotor wirken. Diese sind jedoch in axialer Richtung nicht fixiert. Für eine Turbomolekularpumpe, bei der die Einhaltung minimaler axialer Toleranzen besonders wichtig ist, sind sol­ che Dämpfungselemente nicht geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, an Turbomolekular­ pumpen mit passiven radialen Magnetlagern eine Schwingungs­ dämpfung anzubringen, durch die von außen und durch die Pumpe selbst angeregte Schwingungen wirksam gedämpft werden und ein schwingungsarmer, sicherer und stabiler Betrieb der Pumpe bei allen Frequenzen bis zur Nenndrehzahl gewährleistet wird.

Als Lösung der Aufgabe wird gemäß der kennzeichnenden Merk­ male des Anspruches 1 zusätzlich zu einer Wirbelstromdämp­ fung eine zweite mechanische Dämpfungseinrichtung vorgestellt.

Die Wirbelstromdämpfung besteht aus Ringen aus Kupfer oder einem anderen gut elektrisch leitenden Werkstoff, die auf die Magnetlager-Statoren der radialen Magnetlager aufgezogen sind. In diesen Ringen entstehen bei Schwingungen Magnetfeld­ änderungen, welche Wirbelströme mit dämpfenden Kräften erzeu­ gen.

Diese dämpfenden Kräfte sind proportional der Frequenz der auftretenden Schwingungen und somit besonders zur Dämpfung der Schwingungen mit höheren Frequenzen geeignet.

Für Schwingungen mit niedrigen Frequenzen ist eine Dämpfungs­ einrichtung vorgesehen, die aus einer einen Magnetlager-Stator tragenden Plattform besteht, die in Federn aufgehängt ist, welche Bewegungen nur senkrecht zur Achsrichtung der Pumpe zulassen. Die Plattform ist über Schwingungsdämpfer mit dem ruhenden Gehäuse verbunden. Dabei ist der Rotor über das ra­ diale Magnetlager an die Plattform angekoppelt. Dieses Magnet­ lager überträgt auch die dämpfenden Kräfte auf den Rotor. Die Anordnung ist so ausgelegt, daß für niedrige Frequenzen eine ausreichende Dämpfung vorhanden ist. Im Bereich der Eigen­ frequenz der Plattform, die gegeben ist durch die Masse der Plattform einschließlich Magnetlager-Stator und die Feder­ konstanten der Federn, hat die Dämpfung ein Maximum. Bei höheren Frequenzen nimmt sie ab.

Im Diagramm (Fig. 2) sind die dämpfenden Kräfte F in Abhängig­ keit der Schwingungsfrequenzen f aufgetragen. Kurve A zeigt den Verlauf der Dämpfungskräfte der Wirbelstromdämpfung, die Kurve B zeigt den Verlauf der Dämpfungskräfte der mechanischen Dämpfung. Mit Kurve C sind die Dämpfungskräfte der kombinier­ ten Dämpfungseinrichtung bestehend aus Wirbelstromdämpfung, und mechanische Dämpfung als Funktion der Schwingungsfrequenz aufgetragen. Mit dieser Kombination erhält man über den gesam­ ten Bereich der auftretenden Schwingungen eine wirkungsvolle Dämpfung. Eine wirksame direkte Dämpfung läßt sich wegen des beschränkten Raumes im Luftspalt der Magnetlager nur für hohe Frequenzen verwirklichen.

Die Wirbelstromdämpfung ist bei kleinen Frequenzen um einige Zehnerpotenzen kleiner als die zweite mechanische Dämpfung.

Um optimale Verhältnisse zu erreichen, wird die Federkon­ stante der Federn, in der die Plattform aufgehängt ist, an die Federkonstante des zugehörigen Magnetlagers angepaßt. Es ist auch möglich, die mechanische Dämpfung nur an einem der beiden Magnetlager, bevorzugt auf der Vorkauumseite der Pumpe, anzubringen.

Anhand von Fig. 1 und Fig. 2 soll die Erfindung näher er­ läutert werden.

Es zeigen

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung,

Fig. 2 Dämpfungskräfte in Abhängigkeit von der Schwingungs­ frequenz.

An dem Ausführungsbeispiel in Fig. 1 wird die erfindungsge­ mäße Anordnung dargestellt. Mit 1 ist der Rotor und mit 2 sind die Rotorscheiben einer Turbomolekularpumpe bezeichnet. Abwechselnd zwischen den Rotorscheiben 2 befinden sich die Statorscheiben 3. Die radialen Magnetlager bestehen aus den Magnetlager-Statoren 5 und 5′. Im vorliegenden Ausführungs­ beispiel ist die Axiallagerung durch mechanische axiale Stützlager 7 und 7′ dargestellt. Als Axiallagerung kann auch eine elektro-magnetische Einrichtung dienen. Auf die Magnet­ lager-Statoren 5 und 5′ sind Ringe 6 und 6′ aus Kupfer oder einem anderen gut elektrisch leitenden Werkstoff aufgezogen. Bei auftretenden Störungen erzeugen Magnetfeldänderungen Wirbelströme in diesen Ringen, die frequenz-proportionale Dämpfungskräfte erzeugen.

Bei der mechanischen Dämpfung für niedrige Frequenzen werden Bewegungen der auf senkrecht stehenden Federn (9) angeordneten Plattform (8), die von Rotorschwingungen angeregt werden, durch die angekoppelten an sich bekannten Flüssigkeitsdämpfer (10) wirksam unterdrückt. Die Federn (9) führen die Platt­ form (8) in axialer Richtung, lassen aber dazu senkrechte Bewegungen zu.

In Fig. 2 ist der Verlauf der Dämpfungskräfte logarithmisch in Abhängigkeit von der Schwingungsfrequenz aufgetragen. Die Kurve A zeigt den Verlauf der Wirbelstromdämpfungskräfte, die proportional der Frequenz sind und somit erst bei höheren Frequenzen wirksam werden. Durch die Kurve B sind die mecha­ nischen Dämpfungskräfte dargestellt, die bei niedrigen Fre­ quenzen im Bereich der Eigenfrequenz der Plattform ihre größte Wirkung haben. Die Kurve C zeigt die resultierende der beiden Kurven A und B. Hiermit wird eine wirksame Dämpfung für alle auftretenden Schwingungsfrequenzen erreicht.

Claims (3)

1. Lagereinrichtung für eine Turbomolekularpumpe mit pas­ siven, radialen Magnetlagern (4, 5 und 4′, 5′) und mit mechanischen oder elektromagnetischen Axiallagern, wo­ bei zur Dämpfung von Schwingungen in radialer Richtung eine Dämpfungseinrichtung in Form einer Wirbelstromdämpf­ ung vorgesehen ist, die aus Ringen (6, 6′) aus einem elektrisch gut leitenden Werkstoff besteht, gekennzeichnet durch eine zweite Dämpfungseinrichtung bestehend aus einer einen Magnetlager-Stator tragenden Plattform (8), die über Federn (9) mit dem ruhenden Gehäuse (11) verbunden ist, wobei die Federn (9) nur Bewegungen in radialer Richtung zulassen und wobei die Plattform (8) über Schwingungs­ dämpfer (10) mit dem ruhenden Gehäuse verbunden ist.

2. Lagereinrichtung für eine Turbomolekularpumpe nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die zweite Dämpfungseinrichtung an beiden Magnetlager-Statoren (5, 5′) befindet und die Federkonstante der Federn (9), in denen die Plattform (8) gelagert ist, jeweils gleich der radia­ len Federkonstante des zugehörenden Magnetlagers ist.

3. Lagereinrichtung für eine Turbomolekularpumpe nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich an einer Lager­ stelle nur eine Dämpfungseinrichtung in Form einer Wirbel­ stromdämpfung befindet und an der anderen Lagerstelle so­ wohl eine Dämpfungseinrichtung in Form einer Wirbelstrom­ dämpfung als auch eine Dämpfungseinrichtung der zweiten Art vorhanden ist, wobei die Federkonstante der Federn (9), in denen die Plattform (8) gelagert ist, gleiche der radialen Federkonstanten des zugehörenden Magnetlagers ist.