DE69109398T2

DE69109398T2 - Turbomolekularpumpe.

Info

Publication number: DE69109398T2
Application number: DE69109398T
Authority: DE
Inventors: Yoichi Kanemitsu; Yuji Shirao
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1990-08-10
Filing date: 1991-08-09
Publication date: 1996-01-18
Anticipated expiration: 2011-08-10
Also published as: EP0470637B1; US5152679A; JPH04219493A; DE69109398D1; EP0470637A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Turbomolekuiarpumpe, die ein Magnetlagersystem aufweist.
Eine Turbomolekularpumpe, die ein Magnetlagersystem aufweist, ist bekannt z.B. ist in Figur 4 eine Turbomolekularpumpe des Standes der Technik mit aktivem Magnetlagern gezeigt. Wie gezeigt, weist die Turbomolekularpumpe ein Laufrad 1, einen Stator 2 und eine Welle 1a, integral ausgeführt mit dem Laufrad 1 auf, und ein Motor 12 ist auf einem Mittelteil der Welle 1a vorgesehen. Aktive Magnetlager 3, 4 sind beide jeweils als Radiallager vorgesehen und aktive Magnetlager 5, 6 sind als Axiallager vorgesehen. Die Bezugszeichen 10, 11 in Figur 4 bezeichnen Notlager, 7 und 8 radiale Versetzungsdetektoren und 9 einen axialen Versetzungsdetektor.
Obwohl nicht genau verdeutlicht, umfassen solche aktive 5-Achsenmagnet lager vier aktive Radialmagnetlager und ein aktives Axialmagnetlager.
Weiter ist eine Turbomolekularpumpe eines Standes der Technik mit einem aktiven einachsigen Magnetlagersystem in Figur 5 gezeigt. Das Magnetlagersystem der Figur 5 umfaßt ein passives Magnetlager 13 als Radiallager und die aktiven Magnetlager 5, 6 als Axiallager und ist weiterhin versehen mit Notlagern 10, 11, wie im Fall der Figur 4.
Das Bezugszeichen 14 in Figur 5 bezeichnet ein Wellenende, das in die Hochvakuumseite vorsteht, 15 einen Notlagerhalter und 16 ein Pumpengehäuse.
Jedoch können in Fall der aktiven 5- Achsenmagnetlager der Figur 4, weil die Anzahl der Steuerachsen groß ist, hohe Herstellungskosten folgen und die Steuerung selbst wird kompliziert gemacht, wobei ihre Zuverlässigkeit verringert wird. Weiter, weil die axialen Steuerlager 5, 6 nahe eines Wellendes auf der Seite entgegengesetzt des Laufrades 1 des Rotors gelegen sind, müssen die Axialmagnetlager 5, 6 auseinandergebaut werden, um das Laufrad 1 von einer Pumpe zur Wartung oder für ähnliche Vorgänge zu entfernen.
Andererseits im Fall des aktiven Einachsenmagnetlagers der Figur 5, weil das Notlager 10 in einer Hochvakuumseite gelegen ist, können Verunreinigungen sowie beispielsweise Staub oder ähnliches, die erzeugt werden, wenn das Notlager auf der Hochvakuumseite betätigt wird, in ein Vakuumgefäß bzw. eine Vakuumkammer, die evakuiert werden soll, zurückfließen. Weiter, wie im Fall der Figur 4, müssen die Axialmagnetlager 5, 6 auf ein Entfernen des Laufrades 1 aus der Pumpe hin auseinandergebaut werden.
FR-A-2 293 623 zeigt eine Turbomolekularnumpe, die eine Magnetlageranordnung verwendet. Ein Rotor und ein Stator sind mit einem ersten Magnetlager versehen. Zum indest ein Permanentmagnet auf dem Stator oder Rotor arbeitet zusammen mit Bestandteilen auf dem Rotor oder Stator. Ein zweites Magnetlager mit zumindest einem aktiv gesteuerten Elektromagnet auf dem Stator arbeitet zusammen mit Bestandteilen des Rotors.
Weiter offenbart FR-A-2 534 980 eine Turbomolekularpumpe, die ein Magnetlagersystem aufweist. Dieses System weist einen Motor, ein Laufrad, verbunden mit einer Welle und einem Motor, auf. Ein Stator ist zwischen der Welle und dem Laufrad positioniert. Das Magnetradiallager und ein aktives Magnetaxiallager sind zwischen dem erwähnten Rotor und dem erwähnten Stator vorgesehen. Die Magnetradiallager weisen passive Magnetlager auf, die jeweils Ringpermanentenmagnete besitzen.
Die vorliegende Erfindung ist vorgeschlagen worden im Hinblick auf die vorgenannten Probleme, die dem Stand der Technik zueigen sind und ihr Ziel ist es, eine Turbomolekularpurnpe vorzusehen, die die geringste Anzahl von Steuerachsen hat, und einfach auseinander- und wieder zusammenzubauen ist, und die die Hochvakuumseite nicht verunreinigen wird.
Um die obigen Ziele zu erreichen, weist die Turbomolekularpumpe gemäß der Erfindung ein Magnetlagersystem gemäß Anspruch 1 auf. Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen gezeigt. Vorzugsweise weist ein Axialsteuermagnetlager Mittel auf zum Ermitteln seiner axialen Position und Steuermittel zum Steuern eines Stroms, der an einen Elektromagnet gemäß eines von den Ermittlungs- bzw. Detektormitteln ermittelten detektierten) Positionssignales geleitet wird. Ein Elektromagnet des Lager wird an einem Teil angeordnet werden, wo das Laufrad und die Welle an einer Seite mit niedrigem Vakuum zusammengefügt sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer oben beschriebenen Konstruktion wird eine Turbomolekularpumpe mit aktiven Einachsenmagnetlagern realisiert. Weiter kann die Turbcmolekularpumpe einfach auseinander- und wieder zusammengebaut werden und ermöglicht somit daher eine Verringerung bzw. Einsparung an Zeit und Arbeit, und ein Fehler wie beispielsweise das Lösen einer Steuerspule oder ähnlichem, der leicht beim Auseinander- bzw. Wiederzusammenbau auftreten kann, kann verhindert werden. Weiterhin kann eine Struktur mit Notlagern, die an der Seite mit niedrigem Vakuum angeordnet sind, realisiert werden, um eine Verunreinigung der Hochvakuumseite mit Verunreinigungen wie beispielsweise Staub oder ähnlichem zu verhindern
Gemäß der Turbomolekularpumpe der vorliegenden Erfindung ist das Radialmagnetlager als ein passiver Typ bzw. eine passive Bauart konstruiert, die eine Abstoßkraft eines Permanentmagneten verwendet und eine in diesem Fall erzeugte instabile Axialkraft wird zur Stabilisation von einem Elektromagnet des aktiven Magnetaxiallagers gesteuert. D.h. gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Permanentmagnete, die an einem Rotor angeordnet sind und die Permanentmagnete, die an einem Stator angeordnet sind, leicht in axialer Richtung verschoben. Somit wird eine Kraft, die konstant in axialer Richtung wirkt, aufgrund einer gegenseitigen Abstoßkraft der Permanentmagnete erzeugt, und eine solche Kraft kann gesteuert werden durch steuerbares Erzeugen einer Kraft in einem Elektromagneten des aktiven Axiallagers in axialer Richtung.
Ein Dämpfungsmechanismus zum Dämpfen radialer Schwingungen des Rotors kann an zumindest einem Paar der Permanentmagnete der Magnetradiallager vorgesehen sein, und Unterstützungsmittel für das Radialmagnetlager und ein Gleit- bzw. Verschiebemechanismus, der die Unterstützung axial fixiert aber radiale Bewegung desselben gestattet, ist an einem der Magnetpaare vorgesehen, wodurch Radialschwingungen der Welle gedämpft werden.
Weiter, weil ein axiales Magnetsteuerlager angeordnet ist, wo ein Laufrad und eine Welle zusammengefügt sind, und der Durchmesser eines Wellenteils des Rotors kleiner gemacht ist als ein Innendurchmesser des Notlagers, kanmt somit in der Turbomolekularpumpe der vorliegenden Erfindung der Rotor nicht in Kontakt mit dem Notlager, wenn er entfernt wird. Dementsprechend kann der Rotor einfach entfernt werden durch Demontage einer Wellenendenmutter bzw. Wellenmutter und einer Beilagscheibe, wodurch die Arbeit zum Auseinanderbau und Wiederzusammenbau erleichtert wird.
Noch weiter kann durch das Anordnen der Notlager auf eine Seite mit niedrigem Vakuum verhindert werden, daß die Hochvakuumseite trotz des Betriebs der Notlager verunreinigt wird.
Kurz, gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Rotor radial unterstützt und zwar durch das passive Magnetlager, das einen Permanentmagneten verwendet, und nur das Axialmagnetlager wird aktiv betrieben, wodurch eine Turbomolekularpumpe vorgesehen ist, bei der die Anzahl der Elektromagnetspulen bei 1 gehalten wird und die Anzahl an Steuerachsen auf einem Minimum gehalten wird. Auch sind die Notlager auf der Seite mit niedrigem Vakuum angeordnet. Somit ist die Turbomolekularpumpe einfach auseinanderzunehmen und wieder zusammenzusetzen und wird nicht die Hochvakuumseite verunreinigen.
Die obigen und andere Ziele, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung offensichtlicher werden, wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen gesehen werden, in denen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mittels veranschaulichender Beispiele gezeigt ist
Figur 1 ist eine in Vereinfachung dargestellte Schnittansicht, um das Arbeitsprinzip eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zu zeigen
Figur 2 ist eine teilweise vergrößerte Ansicht von Figur 1.
Figur 3 ist eine Schnittansicht des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung in genauerer Form.
Figur 4 ist eine Schnittansicht, die einen Stand der Technik zeigt.
Figur 5 ist eine Schnittansicht, die einen anderen Stand der Technik zeigt.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben werden mit Bezugnahme auf Figur 1 bis 3.
Figur 1 und Figur 2 stellen das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in Vereinfachung dar. Hier stellen gleiche Bezugszeichen gleiche Glieder, die in Figur 4 und 5 gezeigt sind, dar.
In den Darstellungen bestehen die radialen (durch R angezeigt) Magnetlager 21, 22, 23, 24 jeweils aus einer Gruppe von Permanentmagneten und sind als Magnetlager des Passivtyps konstruiert, das eine Abstoßkraft der Permanentmagneten verwendet. Ein paar von konzentrisch angeordneten Radialmagnetlagern 21, 22 ist vorgesehen zwischen dem Laufrad und dem Stator oder dem festen Teil 2, während ein anderes Paar von Magnetlagern 23, 24 zwischen der Welle 1a und dem Stator 2 vorgesehen ist. Dann wird eine axiale (durch V angezeigt) instabile Kraft, die in der Gruppe von Permanentmagneten der passiven Magnetlager 21, 22, 23, 24 erzeugt wird, zur Stabilisation von einem Elektromagneten der aktiven Axialmagnetlager 25, 26 gesteuert.
Die Gruppe von Permanentmagneten der passiven Radialmagnetlager 21, 22, 23, 24 ist positionsmäßig korreliert, wie in Figur 2 gezeigt. D.h. die Permanetmagnete 22, 24 des auf der Rotorseite montierten Lagers sind axial nach oben leicht um einen Betrag X ausgelenkt mit Bezug auf die Permanentmagnete 21, 23 des auf der Seite des Stators 2 montierten Lagers. Dann wirkt eine Kraft von einer solchen nach oben gerichteten Auslenkung auf die Welle 1a immer axial (V) aufwärts und zwar aufgrund einer gegenseitigen Abstoßkraft der Permanentmagneten.
Auch besitzen die Permanentmagnete 21, 22, 23, 24 ein kleines Spiel k, das zwischen den axial benachbarten Magneten vorgesehen ist, und sind so angeordnet, daß sie die gleiche Polarität an sich gegenüberliegenden Magnetstirnflächen haben.
Wiederum in Figur 1 sind die aktiven Axialmagnetlager 25, 26 in der Nachbarschaft eines Teils angeordnet, an dem das Laufrad 1 und die Welle 1a zusammengefügt sind. Hier bezeichnet ein Bezugszeichen 25 einen Elektromagnetteil im Lager und 25a bezeichnet seine Spule. Durch Steuern eines Stromes, der zur Spule 25a fließt, mittels Steuermitteln (nicht gezeigt), wird ein Axialkraft des aktiven Axialmagnetlagers gesteuert. So wird eine stabile Unterstützung bzw. stabile Lagerung des Lagers in der Axialrichtung V verwirklicht und zwar durch die gesteuerte Axialkraft, die durch die Axialmagnetlager 25, 26 abgegeben wird, und die Axialkraft, die in der Gruppe von Permanentmagneten der zuvor genannten Radialmagnetlager 21, 22, 23, 24 erzeugt wird.
Im Betrieb wird eine axiale Verschiebung des Rotors durch einen Detektor 9 ermittelt und wird an Steuermittel (nicht gezeigt) ausgegeben , wobei die Steuennittel eine Axialkraft (V) berechnen, die auf die Axialmagnetlager 25, 26 entsprechend der Verschiebung ausgeübt werden muß und läßt einen dazu entsprechenden Strom zur Spule 25a fließen
Ein Notlager 10 ist nahe der aktiven Axialmagnetlager 25, 26 angeordnet. Das andere Notlager 11 ist an einem Endteil der Welle 1a an der Seite gegenüber des Laufrades 1 angeordnet. Dann wird ein Innendurchmesser des Notlagers 10, größer festgelegt als ein Durchmesser (Außendurchmesser) der Welle 1a. Dementsprechend kommt sie niemals, auch in dem Fall, in dem der Rotor zusammen mit dem Laufrad 1 und der Welle 1a aus der Pumpe entfernt wird, in Kontakt mit dem Notlager 10. So kann durch einfache Demontage einer Mutter des Wellenendteils und einer Beilagscheibe 30 (Figur 3) der Rotor einfach entfernt werden, wodurch die Arbeit zum Auseinanderbau und Wiederzusammenbau erleichtert wird.
Weiter kann, weil die Notlager 10 und 11 auf einer Seite mit niedrigem Vakuum angeordnet sind, verhindert werden, daß die Hochvakuumseite trotz des Betriebes der Notlager 10 und 11 durch Staub oder Ähnliches verunreinigt wird.
Von den passiven Radialmagnetlagern 21, 22, 23, 24 wird ein Magnetlager z.B. das passive Radialmagnetlager 23 aus der Kombination der Permanentmagneten 23, 24, die nahe der Welle 1a der Figur 1 installiert sind, auf einem Halter 27 unterstützt bzw. getragen, der auf einem Gleitmechanismus 28 unterstützt bzw. gelagert ist, so daß er axial (U) fixiert, aber radial (R) verschieblich bzw. gleitbar ist. Dann wird ein Dämpfungsmechanismus 29 zur Dämpfung von Vibrationen in radialer Richtung (R) der Welle 1a eingefügt, und zwar zwischen dem Halter 27 und dem Gleitmechanismus 28. Durch Vorsehen eines solchen Dämpfungsmechanismus 29 können radiale Schwingungen des Rotors, die während der Rotation der Welle 1a auftreten, auf eine stabile Rotation unterdrückt werden.
Z.B. kann ein Gleitlager oder Teflon als der Gleitmechanismus 28 eingesetzt werden zur axial fixierten aber radial verschieblichen Unterstützung bzw. Lagerung des Halters 27. Diese sind leicht reibend bzw. reibungbehaftet gegen radiale Bewegung und dämpfen daher effektiv Vibrationen durch Absorbieren der Energie in einer radialen Richtung R.
Das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das beschrieben wurde mit Bezugnahme auf Figur 1, ist in Figur 3 in genauerer Form gezeigt.
Figur 3 ist in der Konstruktion im wesentlichen das Gleiche wie Figur 1, daher wird die Beschreibung hier ausgelassen werden.
Sichere Vorteile durch den Einsatz der vorliegenden Erfindung werden wie folgt aufgezählt:
(1) Weil nur eine Steuerspule zur Steuerung einer axialen Position des Rotors vorgesehen ist, ist die Anzahl der Steuerachsen nur 1, und so werden verschiedene Nachteile, die durch eine Vielzahl von Steuerachsen aufkommen, vermieden.
(2) Dämpfungsmittel sind fähig, radiale Schwingungen zu absorbieren. Entsprechend wird Rotationsstabilität sichergestellt.
(3) Es ist sehr leicht, die Welle und das Laufrad auszubauen und auch auseinanderzubauen.
(4) Eine Verunreinigung der Hochvakuumseite kann verhindert werden.

Claims

1. Turbomolekularpumpe mit einem Magnetlagersystem, das folgendes aufweist: einen Rotor bestehend aus einem Laufrad (1), das mit einer Welle (1a) verbunden ist und einem Motor (12); ein Stator (2) positioniert zwischen der Welle (1a) und dem Laufrad (1); Radialmagnetlager (21, 22, 23, 24), ein aktives Axialmagnetlager (25, 26) und Notlager (10, 11), die jeweils zwischen dem Rotor und dem Stator (2) vorgesehen sind, wobei die Radialmagnetlager (21,22, 23, 24) passive Magnetlager aufweisen, und zwar jeweils mit einem Permanentmagneten und zwar vorgesehen an dem Rotor bzw. dem Stator (2) und wobei die passiven Radialmagnetlager (21, 22, 23, 24) jeweils permanente Ringmagneten besitzen, die axial inagnetisiert sind und konzentrisch angeordnet sind, um einander radial entgegengesetzt zu wirken, wobei das Paar konzentrisch angeordneter passiver Radialmagnetlager (21, 22, 23, 24) an mehr als einer Position vorgesehen ist, die axial angeordnet sind; dadurch gekenzeichnet, daß: das Axialmagnetlager (25, 26) in der Nähe angeordnet ist, wo das Laufrad (1) mit der Welle (1a) verbunden ist, daß die Permanentmagneten, die an dem Rotor angeordnet sind und die Permanentmagneten, die an dem Stator (2) angeordnet sind, in Axialrichtung etwas voneinander abweichen, daß die Notlager (10,11) auf einer Niedrigvakuumseite angeordnet sind, wobei ein Notlager (10) in der Nähe des Axialmagnetlagers (25, 26) positioniert ist und wobei der Durchmesser der Welle (1a) kleiner gemacht ist als der Innendurchmesser des Notlagers (10) in der Nähe des Axialmagnetlagers (25, 26).

2. Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1, wobei das Paar konzentrisch angeordneter Radialmagnetlager (21, 22, 23, 24) zwischen dem Laufrad (1) und dem Stator (2) bzw. zwischen der Welle (1a) des Rotors und des Stators (2) vorgesehen ist.

3. Turbomolekularpumpe nach Anspruch 2, wobei mindestens eines des Paars von konzentrisch angeordneten Radialmagnetlagern (23, 24) einen Gleitmechanismus (28) aufweist, der das eine Magnetlager (23, 24) axial fixiert, aber eine Radialbewegung desselben Lagers erlaubt.

4. Turbomolekularpumpe nach Anspruch 3, wobei ein Dämpfungsmechanismus (29) in dem Gleitmechanismus (28) vorgesehen ist zum Dämpfen von Radialvibrationen des einen Magnetlagers (23, 24).

5. Turbomolekularpumpe nach Anspruch 4, wobei der Gleitmechanismus (28) und der Dämpfungsmechanismus (29) in einem des Paars von Radialmagnetlagern (23, 24) positioniert zwischen der Welle (1) und dem Stator (2) vorgesehen sind.

6. Turbomolekularpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei jedes der passiven Radialmagnetlager (21, 22, 23, 24) eine Gruppe von Permanentringmagnetn aufweist, die einen kleinen Zwischenraum zwischen jedem axial benachbarten Magneten besitzt.