DE69920356T2

DE69920356T2 - Vakuumpumpe mit magnetlagersystem

Info

Publication number: DE69920356T2
Application number: DE69920356T
Authority: DE
Inventors: Fausto Casaro; Crawford Meeks; Alain Laager
Original assignee: Varian Inc
Current assignee: Varian Inc
Priority date: 1998-03-10
Filing date: 1999-03-09
Publication date: 2005-11-10
Anticipated expiration: 2019-03-10
Also published as: JP2002513456A; WO1999046508A2; EP0981694B1; DE69920356D1; JP3811769B2; WO1999046508A3; US6078120A; EP0981694A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbovakuumpumpe mit einer Lageranordnung.
Eine geeignete Vakuumpumpe, für die die vorliegende Erfindung verwendet werden kann, ist im US-Patent Nr. 5 238 362 beschrieben, das auf Varian Associates übertragen wurde und durch den Hinweis hierin aufgenommen wird. Die im '362-Patent beschriebene Vakuumpumpe ist eine Turbomolekular-Vakuumpumpe mit einem erhöhten Kompressionsverhältnis, das in der Lage ist, den Betriebsbereich zu höheren Drücken hin zu erweitern. Turbomolekularpumpen dieser Art können Magnetlager verwenden und fünf Freiheitsgrade des rotierenden Pumpenelements aktiv steuern.
1, 2 und 3 zeigen schematisch eine herkömmliche Magnetstütze für einen Rotor der Vakuumpumpe mit unterschiedlicher Form der aufgehängten Teile. Die Bezugsziffer 10 bezeichnet einen Pumprotor, 20 ist ein Fanglager, 30 ist ein radialer Magnetlagerstator, 40 ist ein Stator eines Elektromotors, 50 ist ein axialer Magnetlagerstator und 60 ist eine Welle. Der in 1 gezeigte Rotor weist eine Auslegerstruktur auf, während der in 2 und 3 gezeigte Rotor einen glockenförmigen Rotorpumpteil aufweist. Der glockenförmige Rotor ermöglicht die Anordnung des Schwerpunkts des Rotors zwischen den radialen Magnetlagern. Dieser glockenförmige Rotor wird häufig in Turbomolekularpumpen mit mittlerer oder großer Größe verwendet, die horizontal montiert sind, um die radialen Lasten an den Lagern aufgrund eines Neigemoments zu verringern oder zu beseitigen.
Die magnetisch aufgehängte Pumpe, die im US-Patent Nr. 4 023 920, "Turbomolecular as a Vacuum Pump having a Magnetic-Bearing Supported Rotor", offenbart ist, gehört zu der Art Magnetstütze für einen Pumpenrotor, der in 3 gezeigt ist, wobei die Magnetlagerstatoren, der Elektromotorstator und die Fanglager innerhalb des glockenförmigen Rotors angeordnet sind. Die Magnetlagerrotoren und der Elektromotorrotor befinden sich in der Glockenbohrung zum Beseitigen der Verbindung zwischen der Welle und dem glockenförmigen Rotor. Diese Konstruktion, die in gewisser Hinsicht vorteilhaft ist, bedingt eine Zunahme der Abmessungen der Pumpe, da die Magnet- und Fanglager in Reihe entlang der Achse der Rotorwelle angeordnet sind.
Daher wäre es erwünscht, eine verbesserte Lageranordnung bereitzustellen, die in Turbomolekular-Vakuumpumpen mit erhöhten Kompressionsverhältnissen verwendet werden könnte und die eine radiale und axiale Abtastung vorsieht, während für eine kleinere Systemlänge gesorgt wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turbovakuumpumpe mit einer verbesserten aktiven Magnetlageranordnung bereitzustellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turbovakuumpumpe mit einem Magnetlagersystem mit Rotorpositionssensoren und mechanischen Fanglagern innerhalb einer Drehwelle dieser Vakuumpumpe bereitzustellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turbovakuumpumpe mit einer Magnetlageranordnung mit radialen und axialen Sensoren für die Rotorverschiebung bereitzustellen, die innerhalb der Drehwelle angeordnet sind, so dass die relative Position der Elemente der Lageranordnung nicht mechanisch eingeschränkt wird.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turbovakuumpumpe mit einer Magnetlageranordnung mit verringerter Länge bereitzustellen.
Die Erfindung ist durch die Merkmale von Anspruch 1 und alternativ durch die Merkmale von Anspruch 6 definiert.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die Magnetlageranordnung mechanische Fanglager umfassen, die innerhalb der Drehwelle angeordnet sind, wobei die Abmessung der mechanischen Lager von den Abmessungen der Magnetlager unabhängig ist.
Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen ersichtlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die zugehörigen Zeichnungen, die in diese Beschreibung aufgenommen sind und einen Teil von dieser bilden, stellen Ausführungsbeispiele der Erfindung dar und dienen zusammen mit der Beschreibung zum Erläutern der Prinzipien der Erfindung
1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer herkömmlichen Pumpe mit einem Rotor mit einer Auslegerstruktur.
2 und 3 zeigen schematische teilweise Querschnittsansichten von herkömmlichen Pumpen mit einem glockenförmigen Rotor.
4 zeigt eine teilweise Querschnittsansicht eines hohlen Körpers einer Vakuumpumpe, der eine Magnetlageranordnung der vorliegenden Erfindung enthält, wobei Rotorpositionssensoren innerhalb der Rotorwelle angeordnet sind.
5 zeigt eine teilweise Querschnittsansicht des hohlen Körpers einer Vakuumpumpe, der eine Magnetlageranordnung der vorliegenden Erfindung mit mechanischen Fanglagern und Rotorpositionssensoren, die innerhalb der Rotorwelle angeordnet sind, enthält.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das in 4 gezeigt ist, ist ein Magnetlager-Anordnungssystem vollständig innerhalb einer Kammer 10 eines Vakuumpumpenkörpers 40 enthalten. Die Drehwelle 11 ist starr am Pumprotor 20 der Turbovakuumpumpe befestigt. Die Drehwelle 11 weist einen Stützständer 12 auf, der durch einen unteren Flansch 30 starr am Pumpenkörper 40 befestigt ist. Das in 4 gezeigte Ausführungsbeispiel umfasst einen unteren radialen Magnetlagerrotor 50 und einen oberen radialen Magnetlagerrotor 51. Jedes Magnetlager weist einen stationären Teil und einen Drehteil auf, die einander zugewandt sind. Die Magnetlageranordnung umfasst mindestens ein radiales und/oder axiales Stellglied mit einer entsprechenden Anzahl von radialen und/oder axialen Sensoren, die innerhalb oder in der Drehwelle 11 enthalten sind. Der untere radiale Magnetlagerrotor 50 und der obere radiale Magnetlagerrotor 51 sind starr an der Welle 11 befestigt und umfassen jeweilige radiale Stellglieder 55 und 56, die starr an der Innenwand des Pumpengehäuses 40 befestigt sind. Herkömmliche Stellglieder umfassen den Elektromagneten mit einer Steuerwicklung, die zum Empfangen von Steuerströmen ausgelegt ist. Der Elektromagnet erzeugt elektromagnetische Felder, die an die drehbare Welle angelegt werden. Wie in 4 und 5 gezeigt, sind untere radiale Sensoren 15, obere radiale Sensoren 16 und ein axialer Sensor 17 innerhalb des Stützständers 12 koaxial zur Achse A-A des Rotors und Stators der Vakuumpumpe angeordnet. Die jeweiligen radialen Sensoren 15 und 16 mit den Stellgliedern 55 und 56 sind in den jeweiligen Querschnittsebenen I-I und II-II angeordnet, um die radialen Sensoren gemeinsam bezüglich der radialen Stellglieder anzuordnen. Im erfindungsgemäßen Magnetlager-Anordnungssystem weisen die radialen Stellglieder und die radialen Sensoren denselben Ort entlang der Rotorachse auf. Kabel 25, 26 und 27 der jeweiligen Sensoren 15, 16 und 17 befinden sich innerhalb einer Bohrung des Stützständers 12.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, das in 5 gezeigt ist, kann das Magnetlager-Anordnungssystem eine Fanglageranordnung umfassen, die innerhalb der Drehwelle enthalten ist. Die mechanischen Fanglager sind innerhalb der röhrenförmigen Drehwelle 11 vorgesehen, um den Pumpenrotor 20 bezüglich des Turbovakuumpumpengehäuses 40 abzustützen, wenn die Magnetlageranordnung ausfällt oder wenn sie einer übermäßigen Last ausgesetzt werden. Die Drehwelle 11, die innerhalb der Kammer 10 angeordnet ist, die durch einen Teil des Turbopumpengehäuses 40 ausgebildet ist, ist starr am Pumpenrotor 20 befestigt, der sich um seine Achse A-A dreht. Der Endteil der Drehwelle ist röhrenförmig mit einer zylindrischen Innenwand. Das Pumpengehäuse 40 weist einen unteren Stützflansch 30 auf. Ein röhrenförmiger Stützständer 12 ist am unteren Stützflansch 30 befestigt und zur Drehwelle 11 koaxial. Mindestens ein Paar von mechanischen Fanglagern 35 und 36 ist an der Außenfläche des Stützständers 12 montiert, um einen Spalt zwischen der Innenwand der Rotorwelle 11 und der Außenwand des Stützständers 12 vorzusehen. In 5 sind ein unteres mechanisches Lager 35 und ein oberes mechanisches Lager 36 angeordnet, um die Drehwelle 11 abzustützen, wenn die Magnetlager 50 und 51 ausgefallen sind.
Die Bemessung der Fanglager ist von der Bemessung der Magnetlager unabhängig. Dies ermöglicht die Bereitstellung von kleineren Fanglagern für das Lagersystem der vorliegenden Erfindung als in herkömmlichen Systemen. Überdies sind die Fanglager der vorliegenden Erfindung in die Drehwelle eingesetzt, was ihre Entnahme und ihren Austausch ermöglicht, ohne andere Teile der Pumpe wie z.B. den Rotor oder die Magnetlager abzumontieren.
Wenn die Sensoren, die die radiale und axiale Verschiebung des Rotors erfassen, innerhalb der Drehwelle der Vakuumpumpe enthalten sind, ist ihre Anordnung durch die Anordnung der Magnetlager nicht mechanisch eingeschränkt. Daher ist es möglich, die radialen Sensoren in exakt derselben axialen Position anzuordnen wie die radialen Lager. Eine solche gemeinsame Anordnung der radialen Sensoren und der radialen Lager stellt die Sensormessungen bereit, die die radiale Rotorverschiebung unter den radialen Lagern genau widerspiegeln. Es besteht auch eine geringe oder keine Gefahr, eine Änderung des Vorzeichens in der Richtung der gemessenen Verschiebung in bezug auf die tatsächliche Verschiebung in der Lagerposition zu erhalten.
Folglich wird die radiale Rotorpositionsmessung zuverlässiger, die Steuersoftware wird vereinfacht und die Anzahl von Sensoren könnte verringert werden. Eine solche Anordnung der Sensoren stellt eine Platzeinsparung innerhalb der Pumpe bereit, insbesondere in der axialen Richtung, da, wenn die Sensoren außerhalb der Welle montiert werden würden, die Länge der Spindel vergrößert werden würde.
Die kleinere Gesamtlänge der Magnetlageranordnung aufgrund der Anordnung der Sensoren innerhalb der Drehwelle führt zu einer kürzeren Rotorgröße und höheren Resonanzfrequenzen.
Entsprechende Kabel 25, 26 und 27 der jeweiligen Sensoren 15, 16 und 17, die in den 4 und 5 gezeigt sind, sind vom Ursprungspunkt von den Kabeln für die Lagerstatoren (nicht dargestellt) getrennt, was eine natürliche Trennung der Leistungs- und Signalverdrahtung bedeutet und somit eine Störungsverringerung vorsieht. Wenn Sensoren vom induktiven Typ verwendet werden, führt dies auch zu weniger Störungen des elektromagnetischen Feldes der Lager für das Sensorsignal.
Im Fall eines Prozesses mit aggressiven Gasen ermöglicht dieses neue Schema die Montage von Sensoren und Fanglagern in der geschützten Zone der Pumpe.
Die Sensoren, die innerhalb der Drehwelle einer Vakuumpumpe enthalten sind, stellen die obigen Vorteile bereit, selbst wenn Fanglager außerhalb der Welle montiert wären. Das Merkmal der Messung der Rotorverschiebung mit einer solchen Sensoreinrichtung wird durch die Verringerung der Größe der herkömmlichen Positionssensoren, die induktive/Wirbelstromprinzipien verwenden oder vom optischen Typ sind, durchführbar gemacht.
Nachdem die erläuternden Ausführungsbeispiele der Erfindung somit beschrieben wurden, fallen Fachleuten leicht verschiedene Modifikationen und Verbesserungen ein, die innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung liegen sollen. Folglich dient die vorangehende Beschreibung nur als Beispiel und ist nicht als Einschränkung zu sehen. Die Erfindung ist nur begrenzt, wie in den folgenden Ansprüchen definiert.

Claims

Turbovakuumpupe mit einer Magnetlageranordnung zum Abstützen und Halten einer Drehwelle, die koaxial innerhalb einer Kammer angeordnet ist, die durch einen Teil eines Turbovakuumpumpen-Gehäuses ausgebildet ist, wobei die Anordnung umfasst: einen Stützständer, der koaxial in einem Inneren der Drehwelle angeordnet ist und starr mit dem Turbovakuumpumpen-Gehäuse verbunden ist, wobei der Stützständer eine axiale Bohrung aufweist; mindestens einen innerhalb der Bohrung des Stützständers angeordneten radialen und axialen Sensor zum Erfassen der Verschiebung der Drehwelle bezüglich des Stützständers; mindestens ein radiales und ein axiales Stellglied, die innerhalb der Kammer angeordnet sind, wobei die Anzahl der Stellglieder der Anzahl der Sensoren entspricht; und wobei das radiale Stellglied in einer Querschnittsebene mit dem entsprechenden radialen Sensor angeordnet ist.
Turbovakuumpumpe mit der Magnetlageranordnung nach Anspruch 1, wobei der axiale Sensor eine axiale Position der Drehwelle bezüglich des Stützständers feststellt.
Turbovakuumpumpe mit der Magnetlageranordnung nach Anspruch 1, wobei der radiale Sensor eine radiale Position der Drehwelle bezüglich des Stützständers feststellt.
Turbovakuumpumpe mit der Magnetlageranordnung nach Anspruch 2, welche ferner mechanische Lager umfasst, wobei die mechanischen Lager in einem Spalt zwischen dem Stützständer und der Drehwelle angeordnet sind.
Turbovakuumpumpe mit der Magnetlageranordnung nach Anspruch 3, welche ferner mechanische Lager umfasst, wobei die mechanischen Lager in einem Spalt zwischen dem Stützständer und der Drehwelle angeordnet sind.
Turbovakuumpumpe mit einer Lageranordnung zum magnetischen Abstützen und Halten einer Drehwelle, die koaxial innerhalb einer Kammer angeordnet ist, die durch einen Teil eines Turbovakuumpumpen-Gehäuses ausgebildet ist, wobei die Anordnung umfasst: Magnetlager, die innerhalb der Kammer angeordnet sind; einen Stützständer, der eine axiale Bohrung aufweist und koaxial in einem Inneren der Drehwelle angeordnet und mit dem Turbovakuumpumpen-Gehäuse starr verbunden ist; und mindestens einen am Stützständer innerhalb der Bohrung befestigten radialen Sensor zum Kontrollieren der radialen Verschiebung der Drehwelle bezüglich des Stützständers.
Turbovakuumpumpe mit der Lageranordnung nach Anspruch 6, welche ferner mindestens einen am Stützständer befestigten axialen Sensor zum Kontrollieren der axialen Verschiebung der Drehwelle bezüglich des Stützständers umfasst.
Turbovakuumpumpe mit der Lageranordnung nach Anspruch 7, wobei der mindestens eine radiale und mindestens eine axiale Sensor innerhalb der Bohrung angeordnet sind.
Turbovakuumpumpe mit der Lageranordnung nach Anspruch 8, wobei die Magnetlager ein unteres radiales Magnetlager, das innerhalb eines Endteils der Drehwelle angeordnet ist, und ein oberes radiales Magnetlager, das innerhalb eines oberen Teils der Drehwelle angeordnet ist, umfassen und die radialen Sensoren einen unteren und einen oberen radialen Sensor umfassen, wobei der untere Sensor und das untere Magnetlager in einer Querschnittsebene angeordnet sind, während der obere Sensor und das obere Magnetlager in einer anderen Querschnittsebene angeordnet sind.
Turbovakuumpumpe mit der Lageranordnung nach Anspruch 9, wobei der axiale Sensor an einem Ende des Stützständers angeordnet ist.
Turbovakuumpumpe mit der Lageranordnung nach Anspruch 9, welche ferner mindestens ein Paar von mechanischen Lagern umfasst, wobei die mechanischen Lager in einem Spalt zwischen dem Stützständer und der Drehwelle angeordnet sind.