EP1377752A2 - Turbomolekularpumpe - Google Patents

Turbomolekularpumpe

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Publication number
EP1377752A2
EP1377752A2 EP02727419A EP02727419A EP1377752A2 EP 1377752 A2 EP1377752 A2 EP 1377752A2 EP 02727419 A EP02727419 A EP 02727419A EP 02727419 A EP02727419 A EP 02727419A EP 1377752 A2 EP1377752 A2 EP 1377752A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
temperature
stator
pump
power
motor
Prior art date
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Granted
Application number
EP02727419A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1377752B1 (de
Inventor
Roland Blumenthal
Heinz-Dieter Odendahl
Dieter Bohry
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Leybold GmbH
Original Assignee
Leybold Vakuum GmbH
Leybold Vacuum GmbH
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Publication date
Application filed by Leybold Vakuum GmbH, Leybold Vacuum GmbH filed Critical Leybold Vakuum GmbH
Publication of EP1377752A2 publication Critical patent/EP1377752A2/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1377752B1 publication Critical patent/EP1377752B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D19/00—Axial-flow pumps
    • F04D19/02—Multi-stage pumps
    • F04D19/04—Multi-stage pumps specially adapted to the production of a high vacuum, e.g. molecular pumps
    • F04D19/046—Combinations of two or more different types of pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D19/00—Axial-flow pumps
    • F04D19/02—Multi-stage pumps
    • F04D19/04—Multi-stage pumps specially adapted to the production of a high vacuum, e.g. molecular pumps
    • F04D19/042—Turbomolecular vacuum pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • F04D27/001—Testing thereof; Determination or simulation of flow characteristics; Stall or surge detection, e.g. condition monitoring
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2270/00—Control
    • F05D2270/30—Control parameters, e.g. input parameters
    • F05D2270/335—Output power or torque

Definitions

  • the invention relates to a turbomolecular pump with a pump stator, a rapidly rotating pump rotor and a motor for driving the pump rotor.
  • a gas or gas particles are compressed to produce a high vacuum by rotating blades of the pump rotor and the fixed blades of the pump stator to a multiple of the inlet pressure.
  • the gas heating caused by the gas compression and gas friction is mainly dissipated again via the pump rotor and the pump stator.
  • the cooling of the pump stator can be effected by a cooling fluid leading cooling channels, the active pump rotor cooling is problematic, since the rotating pumps 'rotor' no cooling fluid can be supplied. The pump rotor can therefore overheat under unfavorable operating conditions.
  • the turbomolecular pump therefore has a control device which limits the engine power to a predetermined constant maximum engine power, so that the pump power and the gas and rotor heating correlating therewith are also limited to a constant maximum value.
  • the permissible maximum motor power is calculated and / or experimentally determined by assuming the most unfavorable process conditions for pump operation, for example a thermally unfavorable gas, poor pump stator cooling, high ambient temperatures etc.
  • the permissible maximum motor power is selected so that the pump rotor cannot exceed the maximum permissible rotor temperature even under the most unfavorable process conditions.
  • the engine power is limited to the predetermined maximum power even if the process conditions are more favorable than assumed for the calculation of the maximum engine power.
  • the motor power is therefore limited to the specified maximum motor power even if the actual rotor temperature has not yet reached the maximum permissible rotor temperature.
  • the output power of the turbomolecular pump is generally limited to a value far below an actually thermally permissible value.
  • the object of the invention is therefore to create a device and a method with which the output power of a turbomolecular pump is increased.
  • a temperature sensor for measuring the stator temperature is arranged on the pump stator. Furthermore, the control device has a maximum power determination device which determines the maximum permissible motor power as a function of the measured stator temperature. The permissible maximum motor power is therefore not a constant, unchangeable value, but is determined depending on the respective stator temperature.
  • the rotor temperature correlates strongly with the temperature of the stator-side parts of the pump, for example with the temperature of the base flange, the pump housing, the motor housing, the bearing housing, the pump stator, the motor and with the actual motor or pump power.
  • the stator temperature therefore provides information about the rotor temperature, so that the rotor temperature can also be reliably limited to a maximum value by measuring the stator temperature and limiting the permissible maximum motor power for the respective stator temperature.
  • the permissible maximum motor power is adapted to the respective thermal situation, and is therefore usually above a constant permissible maximum motor power determined for the most unfavorable thermal circumstances.
  • the actual motor power and thus the output power of the pump can be significantly increased in this way under normal process conditions.
  • the pump rotor is more reliably protected against overheating, ie exceeding the maximum permissible rotor temperature, since the rotor temperature is monitored indirectly.
  • the maximum power determination device has a rotor temperature determination device which determines the rotor temperature from the stator temperature measured by the temperature sensor. The maximum power determination device then determines the permissible maximum engine power as a function of the determined rotor temperature.
  • the rotor temperature determining device determines the motor rotor temperature from one or more different stator temperatures which are inserted into a polynomial whose constant coefficients were previously determined experimentally. In this way, the permissible maximum engine power can be determined quickly and with little storage space.
  • the limitation of the maximum motor power may only intervene when a threshold temperature of the rotor is reached and limit the permissible maximum motor power, while the maximum motor power is not limited as long as the calculated rotor temperature is below the threshold temperature.
  • the permissible maximum motor power can also be determined directly from a polynomial which is resolved according to the permissible maximum motor power and which already contains the rotor threshold temperature and / or a maximum rotor temperature in the form of coefficients.
  • the maximum engine power calculated on the basis of the coefficients can, if necessary, be additionally limited by other parameters.
  • multiple temperature sensors are provided at various points of the stator, wherein the maximum power follow-ER- ⁇ averaging means the permissible maximum motor output power in dependence on the determined ge messengeren- temperatures of all temperature sensors.
  • the temperature sensors can be attached to the housing of the turbomolecular pump, to a pump stator element part of the motor on the stator side, for example on the motor housing or on the motor winding, or in a cooling duct of the pump stator.
  • the temperature transmitters can also be arranged at other points on the stator side of the turbomolecular pump, the temperature and temperature behavior of which allow reliable conclusions to be drawn about the temperature of the rotor.
  • the maximum power determination device has a Kehnfeld memory, in which the permissible maximum motor power for each stator temperature is stored in a map.
  • a complex non-linear characteristic curve can also be stored in the characteristic diagram, so that a complex determination of the permissible maximum motor power through arithmetic operations can be omitted.
  • a secondary method for limiting the maximum permissible motor output of a motor in a turbomolecular pump that drives a pump rotor mounted in a pump stator the following method steps are provided: measuring the pump stator temperature, determining a permissible maximum motor output from the measured pump stator temperature and limiting the motor output to that permissible maximum engine power determined.
  • FIG. 1 shows a turbomolecular pump in longitudinal section with a plurality of temperature sensors
  • FIG. 2 shows a block diagram of the regulation of the turbomolecular pump of FIG. 1.
  • FIG. 1 shows a turbomolecular pump 10 which has a pump housing 12, one longitudinal end of which forms the suction side 14 and the other end of which forms the pressure side and has a gas outlet 16.
  • a pump stator 18, which comprises a pump rotor 20, is arranged in the pump housing 12.
  • the pump rotor 20 has a rotor shaft 22 which is rotatably mounted in the pump housing 12 with two radial magnetic bearings 24, 26 and an axial bearing (not shown).
  • the rotor shaft 22 and the pump rotor 20 connected to it are driven by an electric motor 28.
  • the electric motor 28 and the two radial magnetic bearings 24, 26 are accommodated in a common bearing motor housing 30.
  • the turbomolecular pump 10 • serves to generate a high vacuum and rotates at speeds of up to 100,000 rpm.
  • the turbomolecular pump 10 has a plurality of temperature sensors 32-38 on the stator side, ie on the side of the fixed parts.
  • a first temperature sensor 32 is in the area of the base flange of the pump housing. 12 arranged.
  • a second temperature sensor 34 is arranged on or in the pump stator 18.
  • a third temperature sensor 36 is arranged on the motor 28 and measures the temperature in the area of the motor coils or the motor magnetic guide plates.
  • a fourth temperature sensor 38 is arranged on the bearing motor housing 30. Another temperature sensor can be arranged in the course of the cooling channel 13.
  • the heat transferred by the gas heating of the compressed gas to the pump rotor 20 and induced by the active magnetic bearings 26 and the electric motor 28 in the pump rotor 20 is essentially dissipated by heat radiation from the pump rotor 20 to the parts on the stator side.
  • the parts on the stator side that is to say the pump housing 12, the pump stator 18, the bearing motor housing 30 as well as the magnetic bearings 24, 26 and the electric motor 28 are thus heated in addition to their own heating by the heat radiated onto them by the pump rotor 20.
  • the measurement of the temperature and the temperature profile of the parts on the stator side therefore allows conclusions to be drawn about the rotor temperature.
  • the relationship between the actual temperature of the pump rotor 20 and the temperatures of the parts on the stator side measured by the temperature sensors 32-38 can be determined with a simple experimental setup.
  • a rotor temperature sensor 40 is suitably arranged as close as possible to the pump rotor 20 on the suction side. In this way, the rotor temperature can be measured directly in the experiment, so that the relationship between the rotor temperature and the temperatures measured by the stator-side temperature sensors 32-38 can be recorded under different process conditions.
  • P is the instantaneous motor power
  • Ti to T n are the respectively measured temperatures of the stator-side temperature sensors 32-38 and the rotor temperature sensor 40.
  • the coefficients ⁇ 0 to ⁇ n and ⁇ i to ⁇ n are constants which are obtained by evaluating the experimentally measured pump rotor and pump location temperatures were determined. If you enter the maximum permissible rotor temperature in this polynomial instead of the measured • rotor temperature, the permissible maximum motor power P max is determined with this polynomial.
  • FIG. 2 the control of the pump rotor otor 28 is shown schematically.
  • a control device 42 controls a motor driver 44, which in turn controls the coils of the electric motor 28.
  • An engine power setpoint is output to the control device 42 via an actuating element 46.
  • the control device 42 has a maximum output power detecting device 50 and a power limiter • 52nd In the maximum power determination device 50, the permissible maximum engine power P max is determined from the temperature values supplied by the four temperature transmitters 32-38 according to the above formula.
  • the engine power setpoint value supplied by the control element 46 is limited to the determined • permissible maximum engine power if the power value specified by the control element 46 is greater than the determined allowable maximum engine power.
  • the rotor temperature is limited to a maximum temperature, so that the rotor is protected from being destroyed by overheating.
  • the actual engine power, the ambient temperature and other measured variables can be used as further parameters for determining the permissible maximum engine power.
  • the present rotor temperature can be inferred from a plurality of stator-side temperature sensors.
  • a permissible maximum motor power is determined from the determined rotor temperature, to which the motor power is limited.
  • the permissible maximum motor power is therefore variable, so that the performance of the motor and the pump can be fully utilized and is only limited if there is a risk of overheating.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Control Of Positive-Displacement Air Blowers (AREA)

Abstract

Eine Turbomolekularpumpe (10) weist einen Stator, einen Pumpenrotor, einen Motor (28) zum Antrieb des Pumpenrotors und eine Steuervorrichtung (42) auf. Die Steuervorrichtung (42) regelt die Motorleistung derart, dass die Motorleistung eine zulässige Motor-Maximalleistung nicht übersteigt. An der Turbomolekularpumpe (10) sind statorseitig Temperaturgeber (32-38) zur Messung der Statortemperatur angeordnet. Die Steuervorrichtung (42) weist eine Maximalleistungs-Ermittlungsvorrichtung (50) auf, die die zulässige Motor-Maximalleistung in Abhängigkeit von der gemessenen Statortemperatur bestimmt. Auf diese Weise wird die zulässige Motor-Maximalleistung nicht auf einen konstanten Wert eingestellt, sondern stets in Abhängigkeit von der Statortemperatur festgelegt. Dadurch kann das Leistungsvermögen des Motors voll ausgenutzt werden, solange die gemessene Statortemperatur unterhalb eines Maximalwertes liegt.

Description

Turbomolekularpumpe
Die Erfindung bezieht sich auf eine Turbomolekularpumpe mit einem Pumpenstator, einem schnell drehenden Pumpenrotor und einem Motor zum Antrieb des Pumpenrotors .
In einer Turbomolekularpumpe werden zur Erzeugung eines Hochvakuums ein Gas bzw. Gasteilchen durch rotierende Schaufeln des Pumpenrotors und die feststehenden Schaufeln des Pumpenstators auf ein Vielfaches des Eingangsdruckes verdichtet. Die durch die Gasverdichtung und Gasreibung verursachte Gaserwärmung wird überwiegend über den Pumpenrotor und den Pumpenstator wieder abgeführt. Während die Kühlung des Pumpenstators durch ein Kühlfluid führende Kühlkanäle erfolgen kann, ist die aktive Pumpenrotorkühlung problematisch, da dem rotierenden Pumpen- 'rotor 'kein Kühlfluid zugeführt werden kann. Unter ungünstigen Betriebsbedingungen kann der Pumpenrotor daher überhitzen. Bei Überhitzung des Pumpenrotors über eine maximal zulässige Rotortemperatur besteht die Gefahr der Zerstörung des Pumpenrotors und, als Folge davon, des- Pumpenstators. Die Turbomolekular- pumpe muss daher stets unterhalb der maximal zulässigen Rotortemperatur betrieben werden.
Eine direkte Messung der Rotortemperatur ist wegen der schwierigen Signalübertragung von dem schnelldrehenden Pumpenrotor zu dem Stator nur mit großem Aufwand möglich. Die Turbomolekularpumpe weist daher eine Steuervorrichtung auf, die die Motorleistung auf eine vorgegebene konstante Motor-Maximalleistung begrenzt, so dass auch die Pumpleistung und die damit korrelierende Gas- und Rotorerwärmung auf einen konstanten Maximalwert begrenzt sind.
Die zulässige Motor-Maximalleistung wird rechnerisch und/oder experimentell ermittelt, indem für den Pumpenbetrieb die ungünstigsten Prozessbedingungen angenommen werden, beispielsweise ein thermisch sich ungünstig verhaltendes Gas, eine schlechte Pumpenstator-Kühlung, hohe Umgebungstemperaturen etc. Die zulässige Motor-Maximalleistung wird so gewählt, dass der Pumpenrotor auch unter den ungünstigsten Prozessbedingungen die maximal zulässige Rotortemperatur nicht überschreiten kann. Durch die Festlegung einer konstanten Motor-Maximalleistung wird die Motorleistung auf die vorgegebene Maximalleistung auch dann beschränkt, wenn die Prozessbedingungen günstiger sind, als für die Berechnung der Motor-Maximalleistung angenommen. Die Motorleistung wird also auch dann auf die vorgegebene Motor-Maximalleistung begrenzt, wenn die tatsächliche Rotortemperatur die maximal zulässige Rotortemperatur noch nicht erreicht hat. Da die der Ermittlung der maximal zulässigen Motor- Maximalleistung zugrundegelegten extremen Prozessbedingungen in der Praxis nur einen seltenen Ausnahmefall darstellen, wird die Ausgangsleistung der Turbomolekularpumpe in der Regel auf einen Wert weit unterhalb eines tatsächlich thermisch zulässigen Wertes beschränkt. Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, mit dem die Ausgangsleistung einer Turbomolekularpumpe erhöht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 11.
Gemäß der Erfindung ist an dem Pumpenstator ein Temperaturgeber zur Messung der Statortemperatur angeordnet. Ferner weist die Steuervorrichtung eine Maximalleistungs-Ermittlungsvorrichtung auf, die die zulässige Motor-Maximalleistung in Abhängigkeit von der gemessenen Statortemperatur bestimmt. Die zulässige Motor-Maximalleistung ist also kein konstanter unveränderbarer Wert, sondern wird in Abhängigkeit von der jeweiligen Statortemperatur bestimmt. Die Rotortemperatur korreliert stark mit der Temperatur der statorseitigen Teile der Pumpe, beispielsweise mit der Temperatur des Basisflansches, des Pumpengehäuses, des Motorgehäuses, des Lagergehäuses, des Pumpenstators, des Motors sowie mit der tatsächlichen Motor- bzw. Pumpleistung. Die Statortemperatur gibt daher Auskunft über die Rotortemperatur, so -dass durch Messung der Statortemperatur und Begrenzung der zulässigen Motor-Maximalleistung für die jeweilige Statortemperatur auch die Rotortemperatur zuverlässig auf einen Maximalwert begrenzt werden kann. Durch die Messung der Statortemperatur und die dadurch vornehmbaren Rückschlüsse auf die Rotortemperatur, ist die zulässige Motor-Maximalleistung an die jeweilige thermische Situation angepasst, und liegt damit in der Regel oberhalb einer für ungünstigste thermische Umstände bestimmten konstanten zulässigen Motor-Maximalleistung. Die tatsächliche Motorleistung und -damit die Ausgangsleistung der Pumpe kann auf diese Weise unter normalen Prozessbedingungen deutlich erhöht werden. Gleichzeitig ist der Pumpenrotor zuverlässiger gegen Überhitzung, d.h. Überschreiten der maximal zulässigen Rotortemperatur geschützt, da eine indirekte Überwachung der Rotortemperatur stattfindet. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Maximal- leistungs-Ermittlungsvorrichtung eine Rotortemperatur-Ermittlungsvorrichtung auf, die aus der von dem Temperaturgeber gemessenen Statortemperatur die Rotortemperatur ermittelt. Anschließend bestimmt die Maximalleistungs-Ermittlungsvorrichtung in Abhängigkeit von der ermittelten Rotortemperatur die zulässige Motor-Maximalleistung.
Die Rotortemperatur-Ermittlungsvorrichtung ermittelt die Motor- Rotortemperatur aus einer oder aus mehreren verschiedenen Statortemperaturen, die in ein Polynom eingesetzt werden, dessen konstante Koeffizienten zuvor experimentell ermittelt wurden. Auf diese Weise lässt sich schließlich die zulässige Motor-Maximalleistung schnell und auch mit wenig Speicherplatz ermitteln. Die Begrenzung der Motor-Maximalleistung kann ggf.. erst bei Erreichen einer Schwellentemperatur des Rotors eingreifen und die zulässige Motor-Maximalleistung begrenzen, während die Motor-Maximalleistung nicht begrenzt ist, solange die errechnete Rotortemperatur unterhalb der Schwellentemperatur liegt. Die zulässige Motor-Maximalleistung kann auch direkt aus einem Polynom ermittelt werden, das nach- der zulässigen Motor-Maximalleistung aufgelöst ist und in dem die Rotor- Schwellentemperatur, und/oder eine Rotor-Maximaltemperatur in Form von Koeffizienten bereits enthalten ist.
Die anhand der -Koeffizienten, berechnete Motor-Maximalleistung kann ggf. noch zusätzlich durch andere Parameter begrenzt werden.
Vorzugsweise sind mehrere Temperaturgeber an verschiedenen Stellen des Stators vorgesehen, wobei die ■ Maximalleistungs-Er- mittlungsvorrichtung die zulässige Motor-Maximalleistung in Abhängigkeit von den gemessenen- Temperaturen aller Temperaturgeber bestimmt. Die Temperaturgeber können an dem Gehäuse der Turbomolekularpumpe, an einem Pumpenstatorelement, an .einen statorseitigen Teil des Motors, beispielsweise an dem Motorgehäuse oder an der Motorwicklung, oder in einem Kühlkanal des Pumpenstators angeordnet sein. Die Temperaturgeber können auch an anderen statorseitigen Stellen der Turbomolekularpumpe angeordnet sein, deren Temperatur und Temperaturverhalten zuverlässige Rückschlüsse auf die Temperatur des Rotors zulassen. Auf diese Weise wird aus einer Vielzahl von gemessenen Temperaturen ein genauer Rückschluss auf die Rotortemperatur und damit auf die zulässige Motor-Maximalleistung ermöglicht. Die Begrenzung der Motorleistung erfolgt daher nah an der objektiv zulässigen Motor-Maximalleistung. Die Ermittlung der Rotortemperatur und der zulässigen Motor-Maximalleistung durch mehrere stator- seitige Temperaturgeber ist so zuverlässig und genau, dass nur geringe Sicherheitsspannen vorgesehen werden müssen, um ein Überhitzen des Rotors zu vermeiden. Auf diese Weise kann der Motor mit einem Maximum an thermisch zulässiger Leistung angesteuert werden, d.h. das Leistungspotential des Motors und der Pumpe können stets annähernd vollständig ausgeschöpft werden.
Gemäß einer bevorzugten- Ausgestaltung weist die Maximal- leistungs-Ermittlungsvorrichtung einen Kehnfeldspeicher auf, in dem in einem Kennfeld die zulässige Motor-Maximalleistung für jede Statortemperatur gespeichert ist. In dem Kennfeld lässt sich auch eine komplexe nicht-lineare Kennlinie speichern, so dass eine aufwendige Ermittlung der zulässigen Motor-Maximalleistung durch Rechenoperationen entfallen kann.
Gemäß einem nebengeordneten Verfahren zur Begrenzung der maximal zulässigen Motorleistung eines Motors in einer Turbomolekularpumpe, der einen in einem Pumpenstator gelagerten Pumpenrotor antreibt, sind folgende Verfahrensschritte vorgesehen: Messen der Pumpenstatortemperatur, Ermitteln einer zulässigen Motor-Maximalleistung aus der gemessenen Pumpenstatortemperatur und Begrenzung der Motorleistung auf die ermittelte zulässige Motor-Maximalleistung. Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Figuren ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Turbomolekularpumpe im Längsschnitt mit mehreren Temperatugebern,
Fig. 2 ein Blockschaltbild der Regelung der Turbomolekularpumpe der Fig. 1.
.In Fig. 1 ist eine Turbomolekularpumpe 10 dargestellt, die ein Pumpengehäuse 12 aufweist, dessen einen Längsende die Saugseite 14 bildet und dessen anderes Ende die Druckseite bildet und einem Gasauslass 16 aufweist. In dem Pumpengehäuse 12 ist ein Pumpenstator 18 angeordnet, der einen Pumpenrotor 20 umfasst. Der Pumpenrotor 20 weist eine Rotorwelle 22 auf, die mit zwei Radialmagnetlagern 24,26 und einem nicht dargestellten Axiallager drehbar in dem Pumpengehäuse 12 gelagert ist. Die Rotorwelle 22 und der damit verbundene Pumpenrotor 20 werden durch einen Elektromotor 28 angetrieben.- Der Elektromotor 28 und die beiden Radial-Magnetlager 24,26 sind in einem gemeinsamen Lager-Motor-Gehäuse 30 untergebracht. Das Pumpengehäuse
12 wird durch ein Kühlmittel gekühlt, das durch einen Kühlkanal
13 in dem Pumpengehäuse 12 fließt. Die Turbomolekularpumpe 10 •dient der Erzeugung eines Hochvakuums und dreht mit Drehzahlen bis zu 100 000 U/min.
Die Turbomolekularpumpe 10 weist statorseitig, d.h. auf der Seite der feststehenden Teile, mehrere Temperaturgeber 32-38 auf. Ein erster Temperaturgeber 32 ist im Bereich des Basisflansches des Pumpengehäuses. 12 angeordnet. Ein zweiter Temperaturgeber 34 ist an bzw. in dem Pumpenstator 18 angeordnet. Ein dritter Temperaturgeber 36 ist an dem Motor 28 angeordnet und misst die im Bereich der Motorspulen bzw. der Motor-Magnetleitbleche herrschende Temperatur. Ein vierter Temperaturgeber 38 ist an dem Lager-Motorgehäuse 30 angeordnet. Ein weiterer Temperaturgeber kann im Verlauf des Kühlkanales 13 angeordnet sein.
Die durch die Gaserwärmung des komprimierten Gases auf den Pumpenrotor 20 übertragene und durch die aktiven Magnetlager 26 und den Elektromotor 28 in dem Pumpenrotor 20 induzierte Wärme wird im Wesentlichen durch Wärmestrahlung von dem Pumpenrotor 20 auf die statorseitigen Teile abgeführt. Die statorseitigen Teile, also das Pumpengehäuse 12, der Pumpenstator 18, das Lager-Motor-Gehäuse 30 sowie die Magnetlager 24,26 und der Elektromotor 28 werden also neben ihrer Eigenerwärmung auch durch die von dem Pumpenrotor 20 auf sie abgestrahlte Wärme erwärmt. Die Messung der Temperatur und des Temperaturverlaufes der genannten statorseitigen Teile erlaubt daher Rückschlüsse auf die Rotortemperatur.
Die Beziehung zwischen der tatsächlichen Temperatur des Pumpenrotors 20 und den von den Temperaturgebern 32-38 gemessenen Temperaturen der statorseitigen Teile lässt sich mit einem einfachen Versuchsaufbau ermitteln. Hierzu wird saugseitig ein Rotor-Temperaturgeber 40 in geeigneter Weise möglichst nah an dem Pumpenrotor 20 angeordnet. Auf diese Weise kann die Rotortemperatur im Experiment direkt gemessen werden, so dass der Zusammenhang zwischen der Rotortemperatur und den von den statorseitigen Temperaturgebern 32-38 gemessenen Temperaturen unter verschiedenen Prozessbedingungen aufgezeichnet werden kann. Aus den von allen Temperaturgebern 32-40 aufgezeichneten Temperaturen und Temperaturverläufen lässt sich ein Polynom für die Motorleistung P in Abhängigkeit von der Rotortemperatur und den statorseitigen Temperaturen ermitteln: P = α0 +
P ist die momentane Motorleistung, Ti bis Tn sind die jeweils gemessenen Temperaturen der statorseitigen Temperaturgeber 32- 38 und des Rotortemperaturgebers 40. Die Koeffizienten α0 bis αn sowie ßi bis ßn sind Konstanten, die durch die Auswertung der experimentell gemessenen Pumpenrotor- und Pumpenstatortempe- raturen ermittelt wurden. Gibt man anstelle der gemessenen •Rotortempeartur die maximal zulässige Rotortemperatur in dieses Polynom ein, so wird mit diesem Polynom die zulässige Motor- Maximalleistung Pmax ermittelt.
Damit liegt ein Polynom vor, mit dem für einen Satz gleichzeitig gemessener Statortemperaturen Ti bis Tn jeweils die zulässige Motor-Maximalleistung Pmax errechnet werden kann.
In Fig. 2 ist schematisch die Steuerung des Pumpenrotor otors 28 dargestellt. Eine Steuervorrichtung 42 steuert einen Motortreiber 44, der wiederum die Spulen des Elektromotors 28 ansteuert. Über ein Stellelement 46 wird ein Motor-Leistungssollwert an die Steuervorrichtung 42 ausgegeben. Die Steuervorrichtung 42 weist eine Maximalleistungs-Ermittlungsvorrichtung 50 •und einen Leistungsbegrenzer 52 auf. In der Maximalleistungs- Ermittlungsvorrichtung 50 wird aus den von den vier Temperaturgebern 32-38 gelieferten Temperaturwerten nach der o.a. Formel die zulässige Motor-Maximalleistung Pmax ermittelt. In dem Leistungsbegrenzer 52 wird der von dem Stellelement 46 gelieferte Motorleistungssollwert auf die ermittelte • zulässige Motor-Maximalleistung begrenzt, falls der von dem Stellelement 46 angegebene Leistungswert größer als die- ermittelte zulässige Motor-Maximalleistung ist. Auf diese Weise wird die Rorortem- peratur auf eine Maximaltemperatur begrenzt, so dass der Rotor vor Zerstörung durch Überhitzung geschützt ist. Als weitere Parameter für die Ermittlung der zulässigen Motor- Maximalleistung können neben der Kühlfluidtemperatur auch die tatsächliche Motorleistung, die Umgebungstemperatur und andere Messgrößen genutzt werden.
Mit der beschriebenen Vorrichtung lässt sich über mehrere statorseitige Temperaturgeber auf die vorliegende Rotortemperatur schließen. Um eine Überhitzung des Pumpenrotors auf eine Temperatur oberhalb einer maximalen Rotortemperatur zu vermeiden, wird aus der ermittelten Rotortemperatur eine zulässige Motor-Maximalleistung ermittelt, auf die die Motorleistung begrenzt ist. Die zulässige Motor-Maximalleistung ist also variabel, so dass das Leistungsvermögen des Motors und der Pumpe voll ausgeschöpft werden kann, und nur bei Überhitzungs- gefahr begrenzt wird.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
Turbomolekularpumpe mit einem Stator (12,18), einem Pumpenrotor (20), einem Motor (28) zum Antrieb des Pumpenrotors (20) und einer Steuervorrichtung (42) zur Steuerung des Motors (28),
wobei die Steuervorrichtung (42) die Motorleistung derart regelt, dass die Motorleistung eine zulässige Motor-Maximalleistung nicht übersteigt,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass statorseitig ein Temperaturgeber (32-38) zur Messung der Statortemperatur angeordnet ist, und
dass die Steuervorrichtung (42) eine Maximalleistungs-Er- mittlungsvorrichtung (50) aufweist, die die zulässige Motor-Maximalleistung in Abhängigkeit von der gemessenen Statortemperatur bestimmt.
Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Temperaturgeber (32-38) an verschiedenen Stellen des Stators (12,18) vorgesehen sind und die Maxi- malleistungs-Ermittlungsvorrichtung (50) die zulässige Motor-Maximalleistung in Abhängigkeit von den gemessenen Temperaturen aller Temperaturgeber (32-38) bestimmt.
Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Maximalleistungs-Ermittlungsvorrichtung (50) eine Rotortemperatur-Ermittlungsvorrichtung zugeordnet ist, die aus der von dem Temperaturgeber (32-38) gemessenen Statortemperatur die Rotortemperatur ermittelt und dass die Maximalleistungs-Ermittlungsvorrichtung (50) die zulässige Motor-Maximalleistung in Abhängigkeit von der ermittelten Rotortemperatur bestimmt.
4. Turbomolekularpumpe nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Maximalleistungs-Ermittlungsvor- richtung (50) die zulässige Motor-Maximalleistung mit Hilfe eines Polynom ermittelt.
5. Turbomolekularpumpe nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Maxi alleistungs-Ermittlungsvor- richtung (50) einen Kennfeldspeicher aufweist, in dem in einem Kennfeld die zulässige Motor-Maximalleistung für jede Statortemperatur gespeichert ist.
6. Turbomolekularpumpe nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturgeber (32) an einem Pumpengehäuse (12) vorgesehen ist.
7. Turbomolekularpumpe nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturgeber (34) an einem Pumpenstator (18) vorgesehen ist.
8. Turbomolekularpumpe nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturgeber (36) an einem statorseitigen Teil des Motors (28) vorgesehen ist.
9. Turbomolekularpumpe nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (28) ein Gehäuse (30) aufweist und der Temperaturgeber (38) an dem Motorgehäuse vorgesehen ist.
10. Turbomolekularpumpe nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpengehäuse (12) oder das Pu - penstatorelement (18) einen Kühlkanal (13) aufweist und dass der Temperaturgeber im Verlauf des Kühlkanales (13) angeordnet ist.
11. Verfahren zur Begrenzung der Motorleistung eines Motors
(28) in einer Turbomolekularpumpe (10), der einen in einem Stator (12,18) gelagerten Pumpenrotor (20) antreibt, mit den Verfahrensschritten
Messen der Pumpenstatortemperatur,
Ermitteln einer zulässigen Motor-Maximalleistung in Abhängigkeit von der gemessenen Pumpenstatortemperatur,
Begrenzung der Motorleistung auf die ermittelte zulässige Motor-Maximalleistung.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln der zulässigen Motor-Maximalleistung aus den Schritten
Errechnen der Pumpenrotortemperatur aus der gemessenen Pumpenstatortemperatur,
Ermitteln der zulässigen Motor-Maximalleistung aus der errechneten Pumpenrotortemperatur besteht.
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