EP2118492A1 - Schnelldrehende vakuumpumpe - Google Patents

Schnelldrehende vakuumpumpe

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EP2118492A1
EP2118492A1 EP08716880A EP08716880A EP2118492A1 EP 2118492 A1 EP2118492 A1 EP 2118492A1 EP 08716880 A EP08716880 A EP 08716880A EP 08716880 A EP08716880 A EP 08716880A EP 2118492 A1 EP2118492 A1 EP 2118492A1
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EP
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vacuum pump
rotor
bending
critical
frequency
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EP08716880A
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Heinrich Engländer
Christian Harig
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Leybold GmbH
Original Assignee
Oerlikon Leybold Vacuum GmbH
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Publication date
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    • F04D19/02—Multi-stage pumps
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    • F04D19/042—Turbomolecular vacuum pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04D29/661—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing especially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/668—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing especially adapted for elastic fluid pumps damping or preventing mechanical vibrations

Definitions

  • High-speed vacuum pumps which are in particular magnetic bearing non-displaceable turbomolecular pumps, need safe overspeed protection, as overspeeds due to centrifugal forces not only lead to the destruction of the vacuum pump, but also pose a high risk to persons.
  • the object of the invention is to provide a high-speed vacuum pump with a simple and reliable overspeed protection.
  • the rotor is designed so that its bending-critical mating resonance frequency lies between 3% and at most 30% above the constant nominal rotational frequency.
  • the adjustment of the bending-critical resonance frequency in the counterflow such that it is between 3% and at most 30% above the constant nominal rotational frequency can be carried out in many ways.
  • the mass, the geometry and the bearing of the rotor of the vacuum pump can be changed and adjusted so that the bending critical resonance frequency in the opposite direction is at most 30% above the nominal rotational frequency and in this way an overspeed is prevented.
  • the resonant vibrations at the bending-critical resonant frequency in the opposite direction consume a great deal of power, so that driving through to an overlying rotational frequency would only be possible with a considerable power surplus.
  • the drive power of the electric drive motor must be designed so that they of the resonant vibrations at a rotational frequency in the range of bending critical Resonant frequency is completely consumed in the opposite direction. In this way an immanent hardware overspeed protection is provided whose failure is virtually eliminated. The cost of an active overspeed protection is eliminated, so that the cost of overspeed protection are significantly reduced.
  • the critical bending frequencies are at relatively high frequencies. Therefore, the bending critical resonance frequency in the opposite direction is particularly suitable to be used as immanent overspeed protection.
  • the rotor of the vacuum pump is supported by a magnetic bearing.
  • a magnetic bearing By this is meant in the present case a magnetic bearing with respect to at least one radial degree of freedom.
  • the rotor of a high-speed vacuum pump is magnetically supported with respect to all five degrees of freedom when a magnetic bearing is provided.
  • the magnetic bearing generated during operation in turn by the balancing radial vibrations of the rotor.
  • a suitable magnetic bearing control algorithm is used to pass through the critical bending resonance frequencies.
  • Such a suitable control algorithm is not provided in the present case. Rather, the magnetic bearing control algorithm is designed so that the critical bending resonance frequencies can not be traversed with the available drive power.
  • the bending-critical resonance frequency is in the opposite direction between 5% and 25% of the nominal rotational frequency, in particular in the range of about 20% above the nominal rotational frequency.
  • a distance of about 20% above the nominal rotational frequency provides sufficient safety with respect to the overshoot of the rotational frequency during startup of the rotor from a standstill to the nominal rotation frequency. In this way, the accidental achievement of the critical bending resonance frequency in the opposite direction can be avoided by overshoot at startup.
  • the bending-critical resonance frequency in the opposite direction should be as close as possible above the nominal rotational frequency in order not to have to interpret the rotor unnecessarily stable.
  • the high-speed vacuum pump is a non-displacing vacuum pump, for example a turbomolecular vacuum pump.
  • a turbomolecular vacuum pump speeds of 10,000 to 100,000 rpm are common.
  • Such high speeds or rotational frequencies suggest for the storage of the rotor in particular a magnetic bearing.
  • the figure shows a so-called Campbell diagram for a high-speed vacuum pump.
  • the resonant frequency f res of the rotor is shown above the rotational frequency f rot of the rotor.
  • the high-speed vacuum pump is a turbomolecular vacuum pump whose rotor is mounted in a five-axis configuration by means of a magnetic bearing.
  • the rotor is driven by an electric drive motor and operated at a constant fixed nominal rotational frequency f nom .
  • the bending-critical resonance frequency f crit is in the opposite direction for the rotor of the vacuum pump at approximately 970 Hz.
  • the nominal rotation frequency f ⁇ om the vacuum pump or the drive motor, the drive motor control, and the rotor is approximately 800 Hz. This is the critical bending resonant frequency f crit in the counter run about 21% above the nominal rotational frequency f nom of the vacuum pump.
  • the drive power of the electric motor is limited so that it is completely consumed by the reverse resonance vibrations when the rotor rotational frequency fro t should reach the critical bending resonance frequency f cri t in the opposite direction once.
  • the vacuum pump has no further active overspeed protection, i. has no second speed control circuit, which is provided in addition to the speed control circuit of the engine control.
  • the bending-critical mating resonance frequency curve 16 can not be influenced by appropriate adjustment of the control parameters of the magnetic bearing of the vacuum pump.
  • the control parameters of the magnetic bearing are designed so that the bending-critical resonance frequencies are excited so strong that with the available drive energy driving through the bending-critical resonance frequencies is excluded.
  • the magnetic bearing control parameters are to be interpreted relatively soft.

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Description

Schnelldrehende Vakuumpumpe
Schnelldrehende Vakuumpumpen, das sind insbesondere magnetgelagerte nicht verdrängende Turbomolekularpumpen, benötigen einen sicheren Überdrehzahl- Schutz, da Überdrehzahlen aufgrund der Fliehkräfte nicht nur zur Zerstörung der Vakuumpumpe führen, sondern auch eine hohe Gefahr für Personen darstellen können.
In der Praxis werden für den Überdrehzahl-Schutz schnelldrehender Vakuumpumpen aufwändige elektronische Baugruppen verwendet, die die Drehzahl des Rotors bzw. des elektrischen Antriebsmotors kontrollieren und auf elektronischem Wege begrenzen. Zwar kann auf diese Weise mit hohem technischem Aufwand und redundanter Hard- und Software ein sicherer aktiver Überdrehzahl-Schutz für schnelldrehende Vakuumpumpen realisiert werden, jedoch fallen hierfür wegen des hohen technischen Aufwandes erhebliche Kosten an.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine schnelldrehende Vakuumpumpe mit einem einfachen und zuverlässigen Überdrehzahl-Schutz zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
Bei der erfindungsgemäßen schnelldrehenden Vakuumpumpe ist der Rotor so ausgelegt, dass seine biegekritische Gegenlauf-Resonanzfrequenz zwischen 3% und maximal 30% oberhalb der konstanten Nenn-Drehfrequenz liegt. Es ist kein aktiver Überdrehzahl-Schutz vorgesehen, d.h. keine unmittelbare Drehzahlkontrolle und -begrenzung vorgesehen, die neben der Regelvorrichtung für den elektrischen Antriebsmotor noch zusätzlich besteht.
Die Einstellung der biegekritischen Resonanzfrequenz im Gegenlauf derart, dass sie zwischen 3% und maximal 30% oberhalb der konstanten Nenn-Drehfrequenz liegt, kann auf vielfältige Weise vorgenommen werden. Insbesondere die Masse, die Geometrie sowie die Lagerung des Rotors der Vakuumpumpe können so verändert und angepasst werden, dass die biegekritische Resonanzfrequenz im Gegenlauf maximal 30% oberhalb der Nenn-Drehfrequenz liegt und auf diese Weise immanent eine Überdrehzahl verhindert wird. Die Resonanzschwingungen bei der biegekritischen Resonanzfrequenz im Gegenlauf verbrauchen sehr viel Leistung, so dass ein Durchfahren auf eine darüber liegende Drehfrequenz nur mit einem erheblichen Leistungsüberschuss möglich wäre. Die Antriebsleistung des elektrischen Antriebsmotors muss so ausgelegt sein, dass sie von den Resonanzschwingungen bei einer Drehfrequenz im Bereich der biegekritischen Resonanzfrequenz im Gegenlauf vollständig aufgezehrt wird. Auf diese Weise wird ein immanenter Hardware-Überdrehzahl-Schutz geschaffen, dessen Ausfall praktisch ausgeschlossen ist. Der Aufwand für einen aktiven Überdrehzahl- Schutz entfällt, so dass die Kosten für den Überdrehzahl-Schutz erheblich verringert sind.
Im Gegensatz zu starrkörperkritischen Resonanzfrequenzen, die relativ niedrig liegen und in der Regel schnell und mit relativ wenig Leistungsüberschuss durchfahren werden können, liegen die biegekritischen Frequenzen bei relativ hohen Frequenzen. Daher ist die biegekritische Resonanzfrequenz im Gegenlauf besonders geeignet, als immanenter Überdrehzahl-Schutz genutzt zu werden.
Der Rotor der Vakuumpumpe ist durch eine Magnetlagerung gelagert. Hierunter ist vorliegend eine Magnetlagerung in Bezug auf mindestens einen radialen Freiheitsgrad gemeint. In der Praxis ist der Rotor einer schnelldrehenden Vakuumpumpe jedoch in Bezug auf alle fünf Freiheitsgrade magnetisch gelagert, wenn eine Magnetlagerung vorgesehen ist. Die Magnetlagerung generiert im Betrieb ihrerseits durch das Ausregeln radiale Schwingungen des Rotors. Hierdurch werden insbesondere auch biegekritische Schwingungen angeregt und ein Durchfahren verhindert, sofern kein geeigneter Magnetlagerungs- Regelalgorithmus zum Durchfahren der biegekritischen Resonanzfrequenzen eingesetzt wird. Ein solcher geeigneter Regelalgorithmus ist vorliegend nicht vorgesehen. Vielmehr ist der Magnetlagerungs-Regelalgorithmus so ausgelegt, dass die biegekritischen Resonanzfrequenzen mit der zur Verfügung stehenden Antriebsenergie nicht durchfahren werden können.
Vorzugsweise liegt die biegekritische Resonanzfrequenz im Gegenlauf zwischen 5% und 25% der Nenn-Drehfrequenz, insbesondere im Bereich von ungefähr 20% oberhalb der Nenn-Drehfrequenz. Ein Abstand von ungefähr 20% oberhalb der Nenn-Drehfrequenz bietet ausreichende Sicherheit in Bezug auf das Überschwingen der Drehfrequenz beim Hochfahren des Rotors aus dem Stand auf die Nenn-Drehfrequenz. Auf diese Weise kann das versehentliche Erreichen der biegekritischen Resonanzfrequenz im Gegenlauf durch Überschwingen beim Hochfahren vermieden werden. Andererseits sollte die biegekritische Resonanzfrequenz im Gegenlauf so nah wie möglich oberhalb der Nenn- Drehfrequenz liegen, um den Rotor nicht unnötig stabil auslegen zu müssen.
Vorzugsweise ist die schnelldrehende Vakuumpumpe eine nicht-verdrängende Vakuumpumpe, beispielsweise eine Turbomolekular-Vakuumpumpe. Bei Turbomolekular-Vakuumpumpen sind Drehzahlen von 10.000 bis 100.000 U/min üblich. Derartig hohe Drehzahlen bzw. Drehfrequenzen legen zur Lagerung des Rotors in besonderem Maße eine Magnetlagerung nahe.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figur erläutert.
Die Figur zeigt ein sogenanntes Campbell-Diagramm für eine schnelldrehende Vakuumpumpe.
In dem Campbell-Diagramm der Figur ist die Resonanzfrequenz fres des Rotors über der Drehfrequenz frot des Rotors dargestellt.
Die schnelldrehende Vakuumpumpe ist vorliegend eine Turbomolekular- Vakuumpumpe, deren Rotor durch eine Magnetlagerung vollständig fünfachsig gelagert ist. Der Rotor wird durch einen elektrischen Antriebsmotor angetrieben und bei einer konstanten festgelegten Nenn-Drehfrequenz fnom betrieben.
In dem Diagramm sind in einem unteren Drehzahlbereich zunächst jeweils zwei mal zwei starrkörperkritische Resonanzfrequenz-Kurven 12,14 dargestellt. Diese Resonanzfrequenzen verändern sich in relativ geringem Maße mit der Drehfrequenz frot des Rotors. Ferner sind bei höheren Drehzahlen eine biegekritische Gegenlauf-Resonanzfrequenz-Kurve 16 und eine biegekritische Gleichlauf-Resonanzfrequenz-Kurve 18 dargestellt. Ferner ist mit einer unterbrochenen Linie der sogenannte Fahrstrahl 20 dargestellt. Dort, wo der Fahrstrahl 20 die biegekritische Gegenlauf-Resonanzfrequenz-Kurve 16 schneidet, kann die biegekritische Gegenlauf-Resonanzfrequenz fCπt für die vorliegende Vakuumpumpe abgelesen werden.
Im vorliegenden Beispiel liegt die biegekritische Resonanzfrequenz fcrit im Gegenlauf für den Rotor der Vakuumpumpe bei ungefähr 970 Hz. Die Nenn- Drehfrequenz fπom der Vakuumpumpe bzw. des Antriebsmotors, der Antriebsmotorregelung und des Rotors liegt ungefähr bei 800 Hz. Damit liegt die biegekritische Resonanzfrequenz fcrit im Gegenlauf ungefähr 21% oberhalb der Nenn-Drehfrequenz fnom der Vakuumpumpe.
Die Antriebsleistung des Elektromotors ist derart begrenzt, dass sie vollständig von den Gegenlauf-Resonanzschwingungen aufgezehrt wird, wenn die Rotor- Drehfrequenz frot die biegekritische Resonanzfrequenz fcrit im Gegenlauf einmal erreichen sollte.
Die Vakuumpumpe weist keinerlei weiteren aktiven Überdrehzahl-Schutz auf, d.h. weist keinen zweiten Drehzahl-Regelkreis auf, der neben dem Drehzahl- Regelkreis der Motorsteuerung vorgesehen ist.
Die biegekritische Gegenlauf-Resonanzfrequenz-Kurve 16 kann durch entsprechende Einstellung der Regelparameter der Magnetlagerung der Vakuumpumpe nicht beeinflusst werden. Allerdings sind die Regelparameter der Magnetlagerung so ausgelegt, dass die biegekritischen Resonanzfrequenzen so stark angeregt werden, dass mit der zur Verfügung stehenden Antriebsenergie ein Durchfahren der biegekritischen Resonanzfrequenzen ausgeschlossen ist. Hierzu sind die Magnetlagerungs-Regelparameter relativ weich auszulegen.

Claims

Patentansprüche
1. Schnelldrehende Vakuumpumpe mit einem durch einen elektrischen Antriebsmotor angetriebenen Rotor mit einer festgelegten konstanten Nenn-Drehfrequenz (fnom), wobei
der Rotor durch eine Magnetlagerung gelagert ist,
die biegekritische Gegenlauf-Resonanzfrequenz (fcr,t) des Rotors zwischen 3% und maximal 30% oberhalb der Nenn-Drehfrequenz (fπom) liegt, und
kein aktiver Überdrehzahl-Schutz vorgesehen ist.
2. Schnelldrehende Vakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumpumpe als nicht-verdrängende Vakuumpumpe ausgebildet ist.
3. Schelldrehende Vakuumpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumpumpe eine Turbomolekularpumpe ist.
4. Schnelldrehende Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die biegekritische Gegenlauf- Resonanzfrequenz (fcrit) zwischen 5% und 25% der Nenn-Drehfrequenz (fπom) liegt.
EP08716880A 2007-02-24 2008-02-15 Schnelldrehende vakuumpumpe Active EP2118492B1 (de)

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