EP3244067A1 - Vakuumpumpe und verfahren zum verringern einer restunwucht in einer vakuumpumpe - Google Patents
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- F04D29/661—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing especially adapted for elastic fluid pumps
- F04D29/662—Balancing of rotors
Definitions
- the present invention relates to a vacuum pump, in particular a turbomolecular pump, having a rotor shaft rotatable about a rotation axis and an electric motor comprising a stator fixed to a housing of the vacuum pump and a rotor coupled to the rotor shaft, wherein the stator and the rotor for rotatably driving the rotor shaft are provided.
- the present invention also relates to a method for reducing residual imbalance of a rotor shaft of a vacuum pump, in particular turbomolecular pump, which is rotatable about a rotation axis.
- a vacuum pump of the type mentioned is basically known.
- the rotor shaft is normally balanced before the vacuum pump is put into operation, in particular to reduce the risk of damage to the rotor shaft and to the bearings of the rotor shaft.
- a so-called residual imbalance remains, which according to DIN ISO 1925: 2001 is an imbalance of any kind which remains after balancing.
- the balancing operation can reduce an initial initial imbalance of the rotor shaft, which according to the cited standard is an imbalance of any kind present in the rotor before balancing, to a residual residual imbalance. With the residual imbalance, the vacuum pump can normally be put into operation without problems.
- the residual imbalance is based in particular on a mass defect on the rotor shaft, which can be described as a punctiform mass m at a distance r from the axis of rotation of the rotor shaft.
- a vacuum pump according to the preamble of claim 1 and a method for balancing a rotor of a vacuum pump are described in US 5,256,066 EP 2 881 591 A2 disclosed.
- the present invention is therefore based on the object to reduce a residual imbalance of a rotor shaft of a vacuum pump.
- a vacuum pump comprises a rotor shaft rotatable about a rotation axis and an electric motor having a stator fixed to a housing of the vacuum pump and a rotor coupled to the rotor shaft, wherein the stator and the rotor are provided for rotationally driving the rotor shaft, wherein the electric motor, in particular its Stator, is designed such that this synchronously with the rotor shaft rotating, in particular acting in the radial direction, force on the rotor shaft, in particular on the rotor shaft coupled to the rotor causes, wherein by means of the force also synchronously circulating residual imbalance of the rotor shaft can be at least approximately compensated.
- the residual imbalance still present after balancing or the force F RU circulating in synchronism with the rotor shaft can thus be at least approximately compensated by the force generated by the electric motor during operation of the vacuum pump.
- the rotor shaft runs even less unbalanced, whereby the life of the rotor shaft and its bearings can be increased.
- a vacuum pump according to the invention thus has, in terms of unbalance, over a relatively long period of operation, the substantially same properties, such as an increase in the residual imbalance, for example, caused by wear in storage, at least to some extent by that of the electric motor generated force can be compensated.
- each vacuum pump according to the invention has at least approximately the same balancing state and thus the same state of vibration technology.
- the rotor of an electric motor is also referred to as an armature or rotor of the electric motor.
- a so-called PM synchronous motor is used as the electric motor, PM standing for permanent magnet.
- permanent magnets are arranged in the rotor, which form the rotor or rotor-side magnetic poles of the electric motor.
- the magnetic poles are realized by means of conductor windings.
- PM synchronous motors are known from the prior art.
- the vacuum pump preferably has at least one sensor, in particular an acceleration sensor, for measuring the residual imbalance of the rotor shaft.
- the residual imbalance can thus be measured during operation of the vacuum pump and the measured value obtained can be used, for example, to control the electric motor.
- the at least one sensor can be arranged in a plane which runs through the stator of the electric motor and at least substantially perpendicular to the rotor shaft.
- the residual imbalance can thus be detected in a running through the stator of the electric motor balancing plane and at least approximately compensated.
- the senor is arranged on the rotor of the electric motor.
- the sensor may alternatively be arranged slightly above or below the rotor on the rotor shaft. The residual unbalance can therefore be detected in the area of the electric motor.
- the at least one sensor can also be arranged in the region of a bearing which serves to support the rotor shaft.
- the detection of the residual imbalance in the area of the bearing has the advantage that this residual imbalance can be at least approximately compensated by means of the electric motor. As a result, damage to the bearing due to the residual imbalance can be avoided particularly effectively.
- At least one operating parameter of the electric motor for adjusting the force according to magnitude and / or phase position and / or for adjusting the rotational speed of the force about the axis of rotation is adjustable by means of a control.
- the force can thus be generated so that it rotates synchronously with the rotational speed of the rotor shaft and thus with the residual imbalance about the axis of rotation and thereby the residual imbalance at least approximately compensated.
- phase angle refers to the direction of the force with respect to the angular position of the rotor shaft.
- the phase position of the force is preferably adjusted so that the force of the residual imbalance is opposite.
- At least one alternating current which is fed into the electric motor can be adjusted so that the magnetic field generated between the stator and the rotor of the electric motor causes a resultant magnetic force on the rotor which is synchronous with the rotational speed of the rotor shaft and thus rotates with the residual imbalance about the axis of rotation while the residual imbalance at least approximately compensated, so at least approximately the amount of residual imbalance and this is opposite.
- Adjusting the alternating current may include adjusting the amplitude, adjusting the frequency, and / or adjusting the phase of the alternating current.
- the electric motor and / or a controller for the electric motor can be equipped with appropriate means for adjusting the amplitude, frequency and phase.
- the controller may be designed to iteratively adjust the at least one operating parameter of the electric motor depending on a residual imbalance of the rotor shaft, in particular until the residual imbalance meets a predetermined criterion, in particular assumes a minimum value or falls below a predetermined threshold.
- the at least one operating parameter of the electric motor and thus the force generated by the electric motor can be adjusted until the simultaneously measured residual imbalance meets the criterion.
- the stator - viewed in the circumferential direction of the stator - offset from each other auxiliary windings, and the controller can each of the auxiliary windings for generating a magnetic field with an electric Supply current, in particular an alternating current, to generate the force at least substantially by the interaction of the magnetic fields generated by the auxiliary windings with the magnetic field of the rotor of the electric motor.
- an electric Supply current in particular an alternating current
- It can thus be provided on the stator a plurality of energizable auxiliary windings with which respective magnetic fields can be generated, which interact with the rotor-side magnetic field.
- stator has four auxiliary windings which are arranged offset by at least approximately 90 degrees in the circumferential direction.
- Each auxiliary winding can be arranged on a pole shoe provided on the stator.
- the pole shoes can serve in particular as a carrier for the auxiliary windings.
- the control is preferably designed to adjust the currents through the auxiliary windings, in particular as a function of the respective angular position of the rotor shaft and / or as a function of a measured residual imbalance, in order to generate the force for at least approximately compensating the residual imbalance.
- the vacuum pump may have at least one sensor for measuring the angular position of the rotor shaft. This can be permanently detected during pump operation, the angular position of the rotor shaft.
- the vacuum pump is preferably a turbomolecular pump. Since the rotor shaft of a turbomolecular pump is normally operated at a very high speed, for example at a speed of several tens of thousands of revolutions per minute, the at least approximately compensated residual imbalance contributes, for example, to an extension of the life of the vacuum pump.
- turbomolecular pump 111 comprises a pump inlet 115 surrounded by an inlet flange 113, to which in a conventional manner, a non-illustrated recipient can be connected.
- the gas from the recipient may be drawn from the recipient via the pump inlet 115 and conveyed through the pump to a pump outlet 117 to which a backing pump, such as a rotary vane pump, may be connected.
- the inlet flange 113 forms according to the orientation of the vacuum pump Fig. 1 the upper end of the housing 119 of the vacuum pump 111.
- the housing 119 comprises a lower part 121, on which an electronics housing 123 is arranged laterally.
- Housed in the electronics housing 123 are electrical and / or electronic components of the vacuum pump 111, eg for operating an electric motor 125 arranged in the vacuum pump.
- a plurality of connections 127 for accessories are provided on the electronics housing 123. Besides, they are a data interface 129, for example, according to the RS485 standard, and a power supply terminal 131 arranged on the electronics housing 123.
- a flood inlet 133 On the housing 119 of the turbomolecular pump 111, a flood inlet 133, in particular in the form of a flood valve, is provided, via which the vacuum pump 111 can be flooded.
- a sealing gas connection 135, which is also referred to as flushing gas connection is furthermore arranged, via which flushing gas for protecting the electric motor 125 (see, for example, US Pat Fig. 3 ) can be brought before the pumped by the pump gas in the engine compartment 137, in which the electric motor 125 is housed in the vacuum pump 111.
- two coolant connections 139 are further arranged, wherein one of the coolant connections is provided as an inlet and the other coolant connection as an outlet for coolant, which can be passed for cooling purposes in the vacuum pump.
- the lower side 141 of the vacuum pump can serve as a base, so that the vacuum pump 111 can be operated standing on the bottom 141.
- the vacuum pump 111 can also be fastened to a recipient via the inlet flange 113 and thus be operated to a certain extent suspended.
- the vacuum pump 111 can be designed so that it can also be put into operation, if it is aligned differently than in Fig. 1 is shown.
- Embodiments of the vacuum pump can also be implemented in which the lower side 141 can not be turned down but can be turned to the side or directed upwards.
- a bearing cap 145 is attached to the bottom 141.
- mounting holes 147 are arranged, via which the pump 111 can be attached, for example, to a support surface.
- a coolant line 148 is shown, in which the coolant introduced and discharged via the coolant connections 139 can circulate.
- the vacuum pump comprises a plurality of process gas pumping stages for conveying the process gas pending at the pump inlet 115 to the pump outlet 117.
- a rotor 149 is arranged, which has a about a rotation axis 151 rotatable rotor shaft 153.
- Turbomolecular pump 111 includes a plurality of turbomolecular pump stages operatively connected in series with a plurality of rotor disks 155 mounted on rotor shaft 153 and stator disks 157 disposed between rotor disks 155 and housed in housing 119.
- a rotor disk 155 and an adjacent stator disk 157 each form a turbomolecular one pump stage.
- the stator disks 157 are held by spacer rings 159 at a desired axial distance from each other.
- the vacuum pump further comprises Holweck pumping stages which are arranged one inside the other in the radial direction and which are pumpingly connected to one another in series.
- the rotor of the Holweck pump stages comprises a rotor hub 161 arranged on the rotor shaft 153 and two cylinder shell-shaped Holweck rotor sleeves 163, 165 fastened to the rotor hub 161 and oriented coaxially with the rotation axis 151 and nested in the radial direction.
- two cylinder jacket-shaped Holweck stator sleeves 167, 169 are provided, which are also oriented coaxially to the axis of rotation 151 and seen in the radial direction are nested.
- the pump-active surfaces of the Holweck pump stages are formed by the lateral surfaces, ie by the radial inner and / or outer surfaces, the Holweck rotor sleeves 163, 165 and the Holweck stator sleeves 167, 169.
- the radially inner surface of the outer Holweck stator sleeve 167 faces the radially outer surface of the outer Holweck rotor sleeve 163, forming a radial Holweck gap 171, and forms with it the first Holweck pump stage following the turbomolecular pumps.
- the radially inner surface of the outer Holweck rotor sleeve 163 faces the radially outer surface of the inner Holweck stator sleeve 169 forming a radial Holweck gap 173 and forms with this a second Holweck pumping stage.
- the radially inner surface of the inner Holweck stator sleeve 169 faces the radially outer surface of the inner Holweck rotor sleeve 165 to form a radial Holweck gap 175 and forms with this the third Holweck pumping stage.
- a radially extending channel may be provided, via which the radially outer Holweck gap 171 is connected to the middle Holweck gap 173.
- a radially extending channel may be provided, via which the middle Holweck gap 173 is connected to the radially inner Holweck gap 175.
- a connecting channel 179 to the outlet 117 may be provided at the lower end of the radially inner Holweck rotor sleeve 165.
- the aforementioned pump-active surfaces of the Holweck stator sleeves 163, 165 each have a plurality of Holweck grooves extending spirally around the rotational axis 151 in the axial direction, while the opposite Shell surfaces of the Holweck rotor sleeves 163, 165 are smooth and the gas to drive the operation of the vacuum pump 111 in the Holweck grooves.
- a roller bearing 181 in the region of the pump outlet 117 and a permanent magnet bearing 183 in the region of the pump inlet 115 are provided.
- a conical spray nut 185 with an outer diameter increasing toward the rolling bearing 181 is provided on the rotor shaft 153.
- the spray nut 185 is in sliding contact with at least one scraper of a resource storage.
- the resource storage comprises a plurality of stackable absorbent discs 187 provided with a rolling bearing bearing means 181, e.g. with a lubricant, soaked.
- the operating medium is transferred by capillary action of the resource storage on the scraper on the rotating sprayer nut 185 and promoted in the direction of increasing outer diameter of the spray nut 185 to the roller bearing 181 through where the centrifugal force along the spray nut 185 eg fulfills a lubricating function.
- the rolling bearing 181 and the resource storage are enclosed by a trough-shaped insert 189 and the bearing cap 145 in the vacuum pump.
- the permanent magnet bearing 183 includes a rotor-side bearing half 191 and a stator-side bearing half 193, each comprising a ring stack of a plurality of stacked in the axial direction of permanent magnetic rings 195, 197 include.
- the ring magnets 195, 197 are opposed to each other to form a radial bearing gap 199, wherein the rotor-side ring magnets 195 are disposed radially outward and the stator-side ring magnets 197 radially inward.
- the existing in the bearing gap 199 magnetic field causes magnetic repulsive forces between the ring magnets 195, 197, which a radial Storage of the rotor shaft 153 effect.
- the rotor-side ring magnets 195 are supported by a carrier section 201 of the rotor shaft 153, which surrounds the ring magnets 195 radially on the outside.
- the stator-side ring magnets 197 are supported by a stator-side support portion 203, which extends through the ring magnets 197 and is suspended on radial struts 205 of the housing 119.
- Parallel to the axis of rotation 151, the rotor-side ring magnets 195 are fixed by a lid element 207 coupled to the carrier section 203.
- the stator-side ring magnets 197 are fixed parallel to the axis of rotation 151 in one direction by a fastening ring 209 connected to the carrier section 203 and a fastening ring 211 connected to the carrier section 203. Between the fastening ring 211 and the ring magnet 197, a plate spring 213 may also be provided.
- an emergency bearing 215 which runs empty in the normal operation of the vacuum pump 111 without contact and engages only with an excessive radial deflection of the rotor 149 relative to the stator to a radial stop for the rotor 149th to form, since a collision of the rotor-side structures with the stator-side structures is prevented.
- the safety bearing 215 is designed as an unlubricated rolling bearing and forms with the rotor 149 and / or the stator a radial gap, which causes the safety bearing 215 is disengaged in the normal pumping operation.
- the radial deflection at which the safety bearing 215 engages is dimensioned large enough so that the safety bearing 215 does not engage during normal operation of the vacuum pump, and at the same time small enough so that a collision of the rotor-side structures with the stator-side structures under all circumstances is prevented.
- the vacuum pump 111 includes the electric motor 125 for rotationally driving the rotor 149.
- the armature of the electric motor 125 is formed by the rotor 149, whose rotor shaft 153 extends through the motor stator 217.
- On the extending through the motor stator 217 through portion of the rotor shaft 153 may be arranged radially outside or embedded a permanent magnet arrangement.
- a gap 219 is arranged, which comprises a radial motor gap, via which the motor stator 217 and the permanent magnet arrangement for the transmission of the drive torque can influence magnetically.
- the motor stator 217 is fixed in the housing within the motor space 137 provided for the electric motor 125.
- a sealing gas which is also referred to as purge gas, and which may be, for example, air or nitrogen, enter the engine compartment 137.
- the electric motor 125 can be provided with process gas, e.g. against corrosive fractions of the process gas.
- the engine compartment 137 may also be evacuated via the pump outlet 117, i. In the engine compartment 137, at least approximately, the vacuum pressure caused by the backing pump connected to the pump outlet 117 prevails.
- delimiting wall 221 Between the rotor hub 161 and a motor space 137 delimiting wall 221 may also be a so-called. And per se known labyrinth seal 223 may be provided, in particular to achieve a better seal of the engine compartment 217 against the Holweck pump stages located radially outside.
- Fig. 6 shows a cross-sectional view in a plane passing through the electric motor 125 cutting plane, which also extends perpendicular to the rotor shaft 153.
- the rotor shaft 153 extends through the electric motor 125.
- the armature or rotor of the electric motor 125 is formed by the rotor shaft 153.
- the portion of the rotor shaft 153 extending through the stator 217 of the electric motor 125 has radially outward or embedded permanent magnets, which form the rotor-side magnetic poles of the electric motor 125, which in Fig. 6 is shown by the indicated north pole N and the indicated south pole P.
- the rotor-side magnetic poles do not consist of a single pair of north and south poles, but of several pairs of poles.
- the turbomolecular pump On the motor stator 217 side, four auxiliary windings 11 are arranged on pole shoes 13 provided on the stator 217. The auxiliary windings 11 are arranged offset in the circumferential direction U of the stator 217 by 90 degrees to each other.
- the turbomolecular pump also comprises a controller 15 for controlling the electric motor 125, which, for example, in the in Fig. 1 shown electronics housing 123 is housed.
- the controller 15 can supply each of the auxiliary windings 11 with an alternating current whose amplitude, phase and / or frequency can be set by the controller 15.
- a respective alternating current flows through the auxiliary windings 11
- a magnetic field is generated by each auxiliary winding 11 in known manner, which interacts with the rotor-side magnetic field of the permanent magnets.
- Each magnetic field generated by an auxiliary winding 11 is dependent on the current flowing through the respective auxiliary winding 11, and thus can be changed by changing the amplitude, phase and / or frequency of the current.
- Due to the interaction between the magnetic fields generated by the auxiliary windings 11 with the rotor-side magnetic field a force can be generated on the rotor or on the rotor shaft 153. The force generated depends on the magnitude and direction as well as their rotational speed depending on the magnetic fields generated by the auxiliary windings 11. Thus, the generated force is also dependent on the respective currents through the auxiliary windings 11.
- the controller 15 is now designed such that, depending on a residual imbalance of the rotor shaft 153, which is measured by means of at least one sensor 17, the electric currents through the auxiliary windings 11 set such that the force generated synchronously with the rotor shaft 153 and synchronous circulates with the residual imbalance and at least approximately compensates for the residual imbalance.
- the residual imbalance can thus be reduced or, ideally, eliminated by means of the electric motor 125.
- an iterative method is preferably used.
- the rotational speed of the rotor shaft 153 and thus the residual imbalance is determined, for example by means of a mounted in the vacuum pump 111 sensor (not shown).
- the frequency of the alternating currents through the auxiliary windings 11 is then adjusted so that the generated force rotates at the rotational speed about the rotation axis 151.
- the residual imbalance is determined by means of the at least one sensor 17, preferably as a function of the angular position of the rotor shaft 153, which is measured, for example, by means of an angular position sensor, also not shown.
- a start value of the amplitude and a start value of the phase are set individually for each current through the auxiliary windings 11 so that the generated force approximately compensates for the residual unbalance.
- the starting values can be determined from empirically obtained data. The starting values are then changed iteratively, and preferably until the measured residual imbalance meets a predetermined criterion, for example below a predetermined threshold or assumes a minimum.
- auxiliary windings 11 can be seen as an example. It may, for example, six auxiliary windings 11 may be provided, which are preferably arranged in the circumferential direction U offset by an angle of 60 degrees to each other.
Abstract
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe, insbesondere Turbomolekularpumpe, mit einer um eine Rotationsachse drehbaren Rotorwelle und einem Elektromotor, der einen an einem Gehäuse der Vakuumpumpe festgelegten Stator und einen mit der Rotorwelle gekoppelten Läufer umfasst, wobei der Stator und der Läufer zum rotierenden Antreiben der Rotorwelle vorgesehen sind. Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Verringern einer Restunwucht einer um eine Rotationsachse drehbaren Rotorwelle einer Vakuumpumpe, insbesondere Turbomolekularpumpe.
- Eine Vakuumpumpe der eingangs genannten Art ist grundsätzlich bekannt. Bei einer derartigen Vakuumpumpe wird die Rotorwelle normalerweise gewuchtet, bevor die Vakuumpumpe in Betrieb genommen wird, insbesondere um die Gefahr von Beschädigungen an der Rotorwelle und an den Lagern der Rotorwelle zu reduzieren. Normalerweise verbleibt nach dem Wuchten der Rotorwelle noch eine sogenannte Restunwucht, bei der es sich nach DIN ISO 1925:2001 um eine Unwucht jeglicher Art handelt, die nach dem Auswuchten zurückbleibt. Durch den Wuchtvorgang kann somit eine anfängliche Urunwucht der Rotorwelle, bei der es sich gemäß der erwähnten Norm um eine Unwucht jeglicher Art handelt, die im Rotor vor dem Auswuchten vorhanden ist, auf eine verbleibende Restunwucht reduziert werden. Mit der Restunwucht kann die Vakuumpumpe normalerweise problemlos in Betrieb genommen werden kann. Die Restunwucht beruht insbesondere auf einem Massendefekt an der Rotorwelle, der als eine punktförmige Masse m im Abstand r von der Rotationsachse der Rotorwelle beschrieben werden kann. Dabei bewirkt die Restunwucht eine Kraft FRU = m*r*ω2, wobei ω die Winkelgeschwindigkeit ist, mit der sich die Rotorwelle dreht. Durch die Restunwucht wird daher im Betrieb der Vakuumpumpe bei der Winkelgeschwindigkeit ω die Kraft FRU auf die Rotorwelle erzeugt, die synchron mit der Rotorwelle umläuft und - bezogen auf die Rotationsachse der Rotorwelle - nach radial außen gerichtet ist.
- Eine Vakuumpumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Wuchten eines Rotors einer Vakuumpumpe werden in der
EP 2 881 591 A2 offenbart. - Es kann wünschenswert sein, die Restunwucht in einer Vakuumpumpe weiter zu verringern, beispielsweise um die Lebensdauer der Rotorwelle und/oder deren Lager zu verlängern.
- Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Restunwucht einer Rotorwelle einer Vakuumpumpe zu reduzieren.
- Die Aufgabe wird durch eine Vakuumpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 beziehungsweise durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
- Eine erfindungsgemäße Vakuumpumpe umfasst eine um eine Rotationsachse drehbare Rotorwelle und einen Elektromotor mit einem an einem Gehäuse der Vakuumpumpe festgelegten Stator und einem mit der Rotorwelle gekoppelten Läufer, wobei der Stator und der Läufer zum rotierenden Antreiben der Rotorwelle vorgesehen sind, wobei der Elektromotor, insbesondere dessen Stator, derart ausgebildet ist, dass dieser eine mit der Rotorwelle synchron umlaufende, insbesondere in radialer Richtung wirkende, Kraft auf die Rotorwelle, insbesondere auf den mit der Rotorwelle gekoppelten Läufer, bewirkt, wobei mittels der Kraft eine ebenfalls synchron umlaufende Restunwucht der Rotorwelle zumindest annähernd kompensiert werden kann.
- Bei der erfindungsgemäßen Vakuumpumpe kann somit während des Betriebs der Vakuumpumpe mittels des Elektromotors die nach dem Wuchten noch vorhandene Restunwucht bzw. die durch die Restunwucht hervorgerufene und synchron mit der Rotorwelle umlaufende Kraft FRU durch die mittels des Elektromotors erzeugte Kraft zumindest annähernd kompensiert werden. Dadurch läuft die Rotorwelle noch weniger unwuchtig, wodurch die Lebensdauer der Rotorwelle und deren Lager erhöht werden kann.
- Da der Elektromotor die Kraft zur Kompensierung der Restunwucht erzeugt, kann diese Kraft durch entsprechende Ansteuerung des Elektromotors an sich ändernde Gegebenheiten in der Vakuumpumpe angepasst werden. Eine erfindungsgemäße Vakuumpumpe weist somit, was den Unwuchtzustand angeht, über einen verhältnismäßig langen Betriebszeitraum die im Wesentlichen gleichen Eigenschaften auf, da zum Beispiel eine Zunahme der Restunwucht, beispielsweise verursacht durch einen Verschleiß in der Lagerung, zumindest bis zu einem gewissen Grad durch die vom Elektromotor erzeugt Kraft kompensiert werden kann. Außerdem kann erreicht werden, dass jede erfindungsgemäße Vakuumpumpe zumindest näherungsweise den gleichen Wuchtzustand und damit schwingungstechnisch den gleichen Zustand aufweist.
- Der Läufer eines Elektromotors wird auch als Anker oder als Rotor des Elektromotors bezeichnet. Vorzugsweise kommt als Elektromotor ein sogenannter PM-Synchronmotor zum Einsatz, wobei PM für Permanentmagnet steht. Bei einem derartigen Elektromotor sind im Läufer Permanentmagnete angeordnet, welche die läufer- bzw. rotorseitigen Magnetpole des Elektromotors bilden. Statorseitig werden die Magnetpole mittels Stromleiterwicklungen realisiert. PM-Synchronmotoren sind aus dem Stand der Technik bekannt.
- Vorzugsweise weist die Vakuumpumpe wenigstens einen Sensor, insbesondere Beschleunigungssensor, zur Messung der Restunwucht der Rotorwelle auf. Die Restunwucht kann somit im Betrieb der Vakuumpumpe gemessen und der erhaltene Messwert kann zum Beispiel zur Steuerung des Elektromotors verwendet werden.
- Der wenigstens eine Sensor kann in einer Ebene angeordnet sein, welche durch den Stator des Elektromotors und zumindest im Wesentlichen senkrecht zur Rotorwelle verläuft. Die Restunwucht kann somit in einer durch den Stator des Elektromotors verlaufenden Wuchtebene erfasst und zumindest näherungsweise kompensiert werden.
- Bevorzugt ist der Sensor am Läufer des Elektromotors angeordnet. Der Sensor kann alternativ etwas oberhalb oder unterhalb des Läufers an der Rotorwelle angeordnet sein. Die Restunwucht kann daher im Bereich des Elektromotors erfasst werden.
- Der wenigstens eine Sensor kann auch im Bereich eines Lagers angeordnet sein, das zur Lagerung der Rotorwelle dient. Die Erfassung der Restunwucht im Bereich des Lagers hat den Vorteil, dass diese Restunwucht mittels des Elektromotors zumindest annähernd kompensiert werden kann. Dadurch kann besonders effektiv eine Beschädigung des Lagers durch die Restunwucht vermieden werden.
- Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist mittels einer Steuerung wenigstens ein Betriebsparameter des Elektromotors zum Einstellen der Kraft nach Betrag und/oder Phasenlage und/oder zum Einstellen der Umlaufgeschwindigkeit der Kraft um die Rotationsachse verstellbar. Durch richtiges Einstellen des wenigstens einen Betriebsparameters des Elektromotors kann somit die Kraft so erzeugt werden, dass sie synchron mit der Rotationsgeschwindigkeit der Rotorwelle und damit mit der Restunwucht um die Rotationsachse umläuft und dabei die Restunwucht zumindest annähernd kompensiert. Der Begriff "Phasenlage" bezieht sich hierbei auf die Richtung der Kraft in Bezug auf die Winkelstellung der Rotorwelle. Zur Kompensation der Restunwucht wird die Phasenlage der Kraft vorzugsweise so eingestellt, dass die Kraft der Restunwucht entgegengerichtet ist.
- Beispielsweise kann mittels der Steuerung wenigstens ein Wechselstrom, der in den Elektromotor eingespeist wird, so eingestellt werden, dass das zwischen dem Stator und dem Läufer des Elektromotors erzeugte Magnetfeld eine resultierende magnetische Kraft auf den Läufer bewirkt, die synchron mit der Rotationsgeschwindigkeit der Rotorwelle und damit mit der Restunwucht um die Rotationsachse umläuft und dabei die Restunwucht zumindest annähernd kompensiert, also zumindest annähernd den Betrag der Restunwucht aufweist und dieser entgegengerichtet ist. Das Einstellen des Wechselstroms kann dabei umfassen: Einstellen der Amplitude, Einstellen der Frequenz und/oder Einstellen der Phase des Wechselstroms. Der Elektromotor und/oder eine Steuerung für den Elektromotor können dabei mit entsprechenden Mitteln zur Einstellung der Amplitude, Frequenz und Phase ausgestattet sein.
- Die Steuerung kann dazu ausgebildet sein, in Abhängigkeit von einer Restunwucht der Rotorwelle den wenigstens einen Betriebsparameter des Elektromotors iterativ zu verstellen, insbesondere solange, bis die Restunwucht ein vorgegebenes Kriterium erfüllt, insbesondere einen minimalen Wert annimmt oder einen vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet. Somit kann, zum Beispiel unter Verwendung eines iterativen Verfahrens, der wenigstens eine Betriebsparameter des Elektromotors und damit die vom Elektromotor erzeugte Kraft solange verstellt werden, bis die gleichzeitig gemessene Restunwucht das Kriterium erfüllt.
- Bevorzugt weist der Stator - in Umfangsrichtung des Stators gesehen - versetzt zueinander angeordnete Hilfswicklungen auf, und die Steuerung kann jede der Hilfswicklungen zur Erzeugung eines magnetischen Felds mit einem elektrischen Strom, insbesondere einem Wechselstrom, versorgen, um die Kraft zumindest im Wesentlichen durch die Wechselwirkung der von den Hilfswicklungen erzeugten magnetischen Felder mit dem Magnetfeld des Läufers des Elektromotors zu erzeugen. Es können somit am Stator mehrere bestrombare Hilfswicklungen vorgesehen sein, mit denen jeweilige Magnetfelder erzeugt werden können, die mit dem läuferseitigen Magnetfeld zusammenwirken. Durch geeignete Einstellung der Ströme, insbesondere deren jeweiliger Amplitude, Phase und Frequenz, kann die gewünschte, die Restunwucht kompensierende Kraft auf den Läufer bzw. auf die Rotorwelle somit bewirkt werden.
- Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Stator vier Hilfswicklungen aufweist, welche um zumindest annähernd 90 Grad in Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordnet sind. Mittels einer derartigen Konfiguration kann mit verhältnismäßig geringem Aufwand die gewünschte synchron mit der Restunwucht umlaufende Kraft zur Kompensation der Restunwucht erzeugt werden.
- Jede Hilfswicklung kann auf einem am Stator vorgesehenen Polschuh angeordnet sein. Die Polschuhe können insbesondere als Träger für die Hilfswicklungen dienen.
- Vorzugsweise ist die Steuerung dazu ausgebildet, die Ströme durch die Hilfswicklungen, insbesondere in Abhängigkeit von der jeweiligen Winkelstellung der Rotorwelle und/oder in Abhängigkeit von einer gemessenen Restunwucht, einzustellen, um die Kraft zur zumindest annähernden Kompensation der Restunwucht zu erzeugen.
- Die Vakuumpumpe kann wenigstens einen Sensor zur Messung der Winkelstellung der Rotorwelle aufweisen. Damit kann während des Pumpenbetriebs die Winkelstellung der Rotorwelle permanent erfasst werden.
- Bei der Vakuumpumpe handelt es sich vorzugsweise um eine Turbomolekularpumpe. Da die Rotorwelle einer Turbomolekularpumpe normalerweise mit einer sehr hohen Drehzahl betrieben wird, bspw. mit einer Drehzahl von einigen zehntausend Umdrehungen pro Minute, wird durch die zumindest annähernd kompensierte Restunwucht zum Beispiel zu einer Verlängerung der Lebensdauer der Vakuumpumpe beigetragen.
- Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Verringern einer Restunwucht einer um eine Rotationsachse drehbaren Rotorwelle einer Vakuumpumpe, die einen Elektromotor mit einem an einem Gehäuse der Vakuumpumpe festgelegten Stator und einem mit der Rotorwelle gekoppelten Läufer zum Antreiben der Rotorwelle aufweist, und wobei bei dem Verfahren:
- die Rotorwelle derart angetrieben wird, dass sie zumindest im Wesentlichen mit einer konstanten Drehzahl rotiert,
- eine Restunwucht der Rotorwelle gemessen wird, und
- der Elektromotor, insbesondere dessen Stator, derart angesteuert wird, dass dieser eine mit der Rotorwelle synchron umlaufende, insbesondere in radialer Richtung wirkende, Kraft auf die Rotorwelle, insbesondere auf den mit der Rotorwelle gekoppelten Läufer, erzeugt, welche die ebenfalls synchron umlaufende Restunwucht zumindest annähernd kompensiert.
- Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand vorteilhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen, jeweils schematisch:
- Fig. 1
- eine perspektivische Ansicht einer Turbomolekularpumpe,
- Fig. 2
- eine Ansicht der Unterseite der Turbomolekularpumpe von
Fig. 1 , - Fig. 3
- einen Querschnitt der Turbomolekularpumpe längs der in
Fig. 2 gezeigten Schnittlinie A-A, - Fig. 4
- eine Querschnittsansicht der Turbomolekularpumpe längs der in
Fig. 2 gezeigten Schnittlinie B-B, - Fig. 5
- eine Querschnittsansicht der Turbomolekularpumpe längs der in
Fig. 2 gezeigten Schnittlinie C-C, - Fig. 6
- eine Querschnittsansicht der Turbomolekularpumpe von
Fig. 1 in einer durch den Elektromotor verlaufenden Schnittebene, und - Fig. 7
- ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Vakuumpumpe.
- Die in
Fig. 1 gezeigte Turbomolekularpumpe 111 umfasst einen von einem Einlassflansch 113 umgebenen Pumpeneinlass 115, an welchen in an sich bekannter Weise ein nicht dargestellter Rezipient angeschlossen werden kann. Das Gas aus dem Rezipienten kann über den Pumpeneinlass 115 aus dem Rezipienten gesaugt und durch die Pumpe hindurch zu einem Pumpenauslass 117 gefördert werden, an den eine Vorvakuumpumpe, wie etwa eine Drehschieberpumpe, angeschlossen sein kann. - Der Einlassflansch 113 bildet bei der Ausrichtung der Vakuumpumpe gemäß
Fig. 1 das obere Ende des Gehäuses 119 der Vakuumpumpe 111. Das Gehäuse 119 umfasst ein Unterteil 121, an welchem seitlich ein Elektronikgehäuse 123 angeordnet ist. In dem Elektronikgehäuse 123 sind elektrische und/oder elektronische Komponenten der Vakuumpumpe 111 untergebracht, z.B. zum Betreiben eines in der Vakuumpumpe angeordneten Elektromotors 125. Am Elektronikgehäuse 123 sind mehrere Anschlüsse 127 für Zubehör vorgesehen. Außerdem sind eine Datenschnittstelle 129, z.B. gemäß dem RS485-Standard, und ein Stromversorgungsanschluss 131 am Elektronikgehäuse 123 angeordnet. - Am Gehäuse 119 der Turbomolekularpumpe 111 ist ein Fluteinlass 133, insbesondere in Form eines Flutventils, vorgesehen, über den die Vakuumpumpe 111 geflutet werden kann. Im Bereich des Unterteils 121 ist ferner noch ein Sperrgasanschluss 135, der auch als Spülgasanschluss bezeichnet wird, angeordnet, über welchen Spülgas zum Schutz des Elektromotors 125 (siehe z.B.
Fig. 3 ) vor dem von der Pumpe geförderten Gas in den Motorraum 137, in welchem der Elektromotor 125 in der Vakuumpumpe 111 untergebracht ist, gebracht werden kann. Im Unterteil 121 sind ferner noch zwei Kühlmittelanschlüsse 139 angeordnet, wobei einer der Kühlmittelanschlüsse als Einlass und der andere Kühlmittelanschluss als Auslass für Kühlmittel vorgesehen ist, das zu Kühlzwecken in die Vakuumpumpe geleitet werden kann. - Die untere Seite 141 der Vakuumpumpe kann als Standfläche dienen, sodass die Vakuumpumpe 111 auf der Unterseite 141 stehend betrieben werden kann. Die Vakuumpumpe 111 kann aber auch über den Einlassflansch 113 an einem Rezipienten befestigt werden und somit gewissermaßen hängend betrieben werden. Außerdem kann die Vakuumpumpe 111 so gestaltet sein, dass sie auch in Betrieb genommen werden kann, wenn sie auf andere Weise ausgerichtet ist als in
Fig. 1 gezeigt ist. Es lassen sich auch Ausführungsformen der Vakuumpumpe realisieren, bei der die Unterseite 141 nicht nach unten, sondern zur Seite gewandt oder nach oben gerichtet angeordnet werden kann. - An der Unterseite 141, die in
Fig. 2 dargestellt ist, sind noch diverse Schrauben 143 angeordnet, mittels denen hier nicht weiter spezifizierte Bauteile der Vakuumpumpe aneinander befestigt sind. Beispielsweise ist ein Lagerdeckel 145 an der Unterseite 141 befestigt. - An der Unterseite 141 sind außerdem Befestigungsbohrungen 147 angeordnet, über welche die Pumpe 111 beispielsweise an einer Auflagefläche befestigt werden kann.
- In den
Figuren 2 bis 5 ist eine Kühlmittelleitung 148 dargestellt, in welcher das über die Kühlmittelanschlüsse 139 ein- und ausgeleitete Kühlmittel zirkulieren kann. - Wie die Schnittdarstellungen der
Figuren 3 bis 5 zeigen, umfasst die Vakuumpumpe mehrere Prozessgaspumpstufen zur Förderung des an dem Pumpeneinlass 115 anstehenden Prozessgases zu dem Pumpenauslass 117. - In dem Gehäuse 119 ist ein Rotor 149 angeordnet, der eine um eine Rotationsachse 151 drehbare Rotorwelle 153 aufweist.
- Die Turbomolekularpumpe 111 umfasst mehrere pumpwirksam miteinander in Serie geschaltete turbomolekulare Pumpstufen mit mehreren an der Rotorwelle 153 befestigten radialen Rotorscheiben 155 und zwischen den Rotorscheiben 155 angeordneten und in dem Gehäuse 119 festgelegten Statorscheiben 157. Dabei bilden eine Rotorscheibe 155 und eine benachbarte Statorscheibe 157 jeweils eine turbomolekulare Pumpstufe. Die Statorscheiben 157 sind durch Abstandsringe 159 in einem gewünschten axialen Abstand zueinander gehalten.
- Die Vakuumpumpe umfasst außerdem in radialer Richtung ineinander angeordnete und pumpwirksam miteinander in Serie geschaltete Holweck-Pumpstufen. Der Rotor der Holweck-Pumpstufen umfasst eine an der Rotorwelle 153 angeordnete Rotornabe 161 und zwei an der Rotornabe 161 befestigte und von dieser getragene zylindermantelförmige Holweck-Rotorhülsen 163, 165, die koaxial zur Rotationsachse 151 orientiert und in radialer Richtung ineinander geschachtelt sind. Ferner sind zwei zylindermantelförmige Holweck-Statorhülsen 167, 169 vorgesehen, die ebenfalls koaxial zu der Rotationsachse 151 orientiert und in radialer Richtung gesehen ineinander geschachtelt sind.
- Die pumpaktiven Oberflächen der Holweck-Pumpstufen sind durch die Mantelflächen, also durch die radialen Innen- und/oder Außenflächen, der Holweck-Rotorhülsen 163, 165 und der Holweck-Statorhülsen 167, 169 gebildet. Die radiale Innenfläche der äußeren Holweck-Statorhülse 167 liegt der radialen Außenfläche der äußeren Holweck-Rotorhülse 163 unter Ausbildung eines radialen Holweck-Spalts 171 gegenüber und bildet mit dieser die der Turbomolekularpumpen nachfolgende erste Holweck-Pumpstufe. Die radiale Innenfläche der äußeren Holweck-Rotorhülse 163 steht der radialen Außenfläche der inneren Holweck-Statorhülse 169 unter Ausbildung eines radialen Holweck-Spalts 173 gegenüber und bildet mit dieser eine zweite Holweck-Pumpstufe. Die radiale Innenfläche der inneren Holweck-Statorhülse 169 liegt der radialen Außenfläche der inneren Holweck-Rotorhülse 165 unter Ausbildung eines radialen Holweck-Spalts 175 gegenüber und bildet mit dieser die dritte Holweck-Pumpstufe.
- Am unteren Ende der Holweck-Rotorhülse 163 kann ein radial verlaufender Kanal vorgesehen sein, über den der radial außenliegende Holweck-Spalt 171 mit dem mittleren Holweck-Spalt 173 verbunden ist. Außerdem kann am oberen Ende der inneren Holweck-Statorhülse 169 ein radial verlaufender Kanal vorgesehen sein, über den der mittlere Holweck-Spalt 173 mit dem radial innenliegenden Holweck-Spalt 175 verbunden ist. Dadurch werden die ineinander geschachtelten Holweck-Pumpstufen in Serie miteinander geschaltet. Am unteren Ende der radial innenliegenden Holweck-Rotorhülse 165 kann ferner ein Verbindungskanal 179 zum Auslass 117 vorgesehen sein.
- Die vorstehend genannten pumpaktiven Oberflächen der Holweck-Statorhülsen 163, 165 weisen jeweils mehrere spiralförmig um die Rotationsachse 151 herum in axialer Richtung verlaufende Holweck-Nuten auf, während die gegenüberliegenden Mantelflächen der Holweck-Rotorhülsen 163, 165 glatt ausgebildet sind und das Gas zum Betrieb der Vakuumpumpe 111 in den Holweck-Nuten vorantreiben.
- Zur drehbaren Lagerung der Rotorwelle 153 sind ein Wälzlager 181 im Bereich des Pumpenauslasses 117 und ein Permanentmagnetlager 183 im Bereich des Pumpeneinlasses 115 vorgesehen.
- Im Bereich des Wälzlagers 181 ist an der Rotorwelle 153 eine konische Spritzmutter 185 mit einem zu dem Wälzlager 181 hin zunehmenden Außendurchmesser vorgesehen. Die Spritzmutter 185 steht mit mindestens einem Abstreifer eines Betriebsmittelspeichers in gleitendem Kontakt. Der Betriebsmittelspeicher umfasst mehrere aufeinander gestapelte saugfähige Scheiben 187, die mit einem Betriebsmittel für das Wälzlager 181, z.B. mit einem Schmiermittel, getränkt sind.
- Im Betrieb der Vakuumpumpe 111 wird das Betriebsmittel durch kapillare Wirkung von dem Betriebsmittelspeicher über den Abstreifer auf die rotierende Spritzmutter 185 übertragen und in Folge der Zentrifugalkraft entlang der Spritzmutter 185 in Richtung des größer werdenden Außendurchmessers der Spritzmutter 185 zu dem Wälzlager 181 hin gefördert, wo es z.B. eine schmierende Funktion erfüllt. Das Wälzlager 181 und der Betriebsmittelspeicher sind durch einen wannenförmigen Einsatz 189 und den Lagerdeckel 145 in der Vakuumpumpe eingefasst.
- Das Permanentmagnetlager 183 umfasst eine rotorseitige Lagerhälfte 191 und eine statorseitige Lagerhälfte 193, welche jeweils einen Ringstapel aus mehreren in axialer Richtung aufeinander gestapelten permanentmagnetischen Ringen 195, 197 umfassen. Die Ringmagnete 195, 197 liegen einander unter Ausbildung eines radialen Lagerspalts 199 gegenüber, wobei die rotorseitigen Ringmagnete 195 radial außen und die statorseitigen Ringmagnete 197 radial innen angeordnet sind. Das in dem Lagerspalt 199 vorhandene magnetische Feld ruft magnetische Abstoßungskräfte zwischen den Ringmagneten 195, 197 hervor, welche eine radiale Lagerung der Rotorwelle 153 bewirken. Die rotorseitigen Ringmagnete 195 sind von einem Trägerabschnitt 201 der Rotorwelle 153 getragen, welcher die Ringmagnete 195 radial außenseitig umgibt. Die statorseitigen Ringmagnete 197 sind von einem statorseitigen Trägerabschnitt 203 getragen, welcher sich durch die Ringmagnete 197 hindurch erstreckt und an radialen Streben 205 des Gehäuses 119 aufgehängt ist. Parallel zu der Rotationsachse 151 sind die rotorseitigen Ringmagnete 195 durch ein mit dem Trägerabschnitt 203 gekoppeltes Deckelelement 207 festgelegt. Die statorseitigen Ringmagnete 197 sind parallel zu der Rotationsachse 151 in der einen Richtung durch einen mit dem Trägerabschnitt 203 verbundenen Befestigungsring 209 sowie einen mit dem Trägerabschnitt 203 verbundenen Befestigungsring 211 festgelegt. Zwischen dem Befestigungsring 211 und den Ringmagneten 197 kann außerdem eine Tellerfeder 213 vorgesehen sein.
- Innerhalb des Magnetlagers ist ein Not- bzw. Fanglager 215 vorgesehen, welches im normalen Betrieb der Vakuumpumpe 111 ohne Berührung leer läuft und erst bei einer übermäßigen radialen Auslenkung des Rotors 149 relativ zu dem Stator in Eingriff gelangt, um einen radialen Anschlag für den Rotor 149 zu bilden, da eine Kollision der rotorseitigen Strukturen mit den statorseitigen Strukturen verhindert wird. Das Fanglager 215 ist als ungeschmiertes Wälzlager ausgebildet und bildet mit dem Rotor 149 und/oder dem Stator einen radialen Spalt, welcher bewirkt, dass das Fanglager 215 im normalen Pumpbetrieb außer Eingriff ist. Die radiale Auslenkung, bei der das Fanglager 215 in Eingriff gelangt, ist groß genug bemessen, sodass das Fanglager 215 im normalen Betrieb der Vakuumpumpe nicht in Eingriff gelangt, und gleichzeitig klein genug, sodass eine Kollision der rotorseitigen Strukturen mit den statorseitigen Strukturen unter allen Umständen verhindert wird.
- Die Vakuumpumpe 111 umfasst den Elektromotor 125 zum drehenden Antreiben des Rotors 149. Der Anker des Elektromotors 125 ist durch den Rotor 149 gebildet, dessen Rotorwelle 153 sich durch den Motorstator 217 hindurch erstreckt. Auf den sich durch den Motorstator 217 hindurch erstreckenden Abschnitt der Rotorwelle 153 kann radial außenseitig oder eingebettet eine Permanentmagnetanordnung angeordnet sein. Zwischen dem Motorstator 217 und dem sich durch den Motorstator 217 hindurch erstreckenden Abschnitt des Rotors 149 ist ein Zwischenraum 219 angeordnet, welcher einen radialen Motorspalt umfasst, über den sich der Motorstator 217 und die Permanentmagnetanordnung zur Übertragung des Antriebsmoments magnetisch beeinflussen können.
- Der Motorstator 217 ist in dem Gehäuse innerhalb des für den Elektromotor 125 vorgesehenen Motorraums 137 festgelegt. Über den Sperrgasanschluss 135 kann ein Sperrgas, das auch als Spülgas bezeichnet wird, und bei dem es sich beispielsweise um Luft oder um Stickstoff handeln kann, in den Motorraum 137 gelangen. Über das Sperrgas kann der Elektromotor 125 vor Prozessgas, z.B. vor korrosiv wirkenden Anteilen des Prozessgases, geschützt werden. Der Motorraum 137 kann auch über den Pumpenauslass 117 evakuiert werden, d.h. im Motorraum 137 herrscht zumindest annäherungsweise der von der am Pumpenauslass 117 angeschlossenen Vorvakuumpumpe bewirkte Vakuumdruck.
- Zwischen der Rotornabe 161 und einer den Motorraum 137 begrenzenden Wandung 221 kann außerdem eine sog. und an sich bekannte Labyrinthdichtung 223 vorgesehen sein, insbesondere um eine bessere Abdichtung des Motorraums 217 gegenüber den radial außerhalb liegenden Holweck-Pumpstufen zu erreichen.
-
Fig. 6 zeigt eine Querschnittsansicht in einer durch den Elektromotor 125 verlaufenden Schnittebene, die außerdem senkrecht zur Rotorwelle 153 verläuft. Die Rotorwelle 153 erstreckt sich durch den Elektromotor 125 hindurch. Wie vorstehend bereits erwähnt wurde, wird der Anker bzw. Läufer des Elektromotors 125 durch die Rotorwelle 153 gebildet. Der Abschnitt der Rotorwelle 153, der sich durch den Stator 217 des Elektromotors 125 hindurch erstreckt, weist radial außenseitig oder eingebettet Permanentmagnete auf, welche die läuferseitigen Magnetpole des Elektromotors 125 bilden, was inFig. 6 durch den angedeuteten Nordpol N und den angedeuteten Südpol P gezeigt ist. Normalerweise bestehen die läuferseitigen Magnetpole nicht aus einem einzigen Paar eines Nord- und Südpols, sondern aus mehreren Polpaaren. - Auf Seiten des Motorstators 217 sind vier Hilfswicklungen 11 auf am Stator 217 vorgesehenen Polschuhen 13 angeordnet. Die Hilfswicklungen 11 sind dabei in Umfangsrichtung U des Stators 217 gesehen um 90 Grad versetzt zueinander angeordnet. Wie das Blockdiagramm der
Fig. 7 zeigt, umfasst die Turbomolekularpumpe noch eine Steuerung 15 zur Ansteuerung des Elektromotors 125, die beispielsweise in dem inFig. 1 gezeigten Elektronikgehäuse 123 untergebracht ist. - Die Steuerung 15 kann jede der Hilfswicklungen 11 mit einem Wechselstrom versorgen, dessen Amplitude, Phase und/oder Frequenz von der Steuerung 15 eingestellt werden kann. Wenn durch die Hilfswicklungen 11 ein jeweiliger Wechselstrom strömt, wird in an sich bekannter Weise von jeder Hilfswicklung 11 ein magnetisches Feld generiert, das mit dem läuferseitigen Magnetfeld der Permanentmagnete wechselwirkt. Jedes von einer Hilfswicklung 11 erzeugte Magnetfeld ist dabei vom Strom, der durch die jeweilige Hilfswicklung 11 strömt, abhängig und kann somit durch Änderung der Amplitude, Phase und/oder Frequenz des Stromes verändert werden. Durch die Wechselwirkung zwischen den von den Hilfswicklungen 11 erzeugten Magnetfeldern mit dem läuferseitigen Magnetfeld kann eine Kraft auf den Läufer bzw. auf die Rotorwelle 153 erzeugt werden. Die erzeugte Kraft ist nach Betrag und Richtung sowie was ihre Umlaufgeschwindigkeit angeht abhängig von den von den Hilfswicklungen 11 erzeugten Magnetfeldern. Damit ist die erzeugte Kraft auch abhängig von den jeweiligen Strömen durch die Hilfswicklungen 11.
- Die Steuerung 15 ist nun derart ausgebildet, dass sie in Abhängigkeit von einer Restunwucht der Rotorwelle 153, die mittels wenigstens eines Sensors 17 gemessen wird, die elektrischen Ströme durch die Hilfswicklungen 11 derart einstellt, dass die erzeugte Kraft synchron mit der Rotorwelle 153 und damit synchron mit der Restunwucht umläuft und die Restunwucht wenigstens näherungsweise kompensiert. Die Restunwucht kann somit mittels des Elektromotors 125 reduziert bzw. im Idealfall beseitigt werden.
- Zur Einstellung der Ströme durch die Hilfswicklungen 11 kommt vorzugsweise ein iteratives Verfahren zum Einsatz. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung dieses Verfahrens wird die Umlaufgeschwindigkeit der Rotorwelle 153 und damit der Restunwucht ermittelt, zum Beispiel mittels eines in der Vakuumpumpe 111 angebrachten Sensors (nicht gezeigt). Die Frequenz der Wechselströme durch die Hilfswicklungen 11 wird sodann derart eingestellt, dass die erzeugte Kraft mit der Umlaufgeschwindigkeit um die Rotationsachse 151 umläuft. Ferner wird die Restunwucht mittels des wenigstens einen Sensors 17 ermittelt, und zwar bevorzugt als Funktion der Winkelstellung der Rotorwelle 153, die bspw. mittels eines ebenfalls nicht gezeigten Winkelstellungssensors gemessen wird. Ein Startwert der Amplitude und ein Startwert der Phase werden individuell für jeden Strom durch die Hilfswicklungen 11 so eingestellt, dass die erzeugte Kraft näherungsweise die Restunwucht kompensiert. Die Startwerte können dabei aus empirisch gewonnenen Daten bestimmt werden. Die Startwerte werden sodann iterativ verändert, und zwar bevorzugt solange, bis die gemessene Restunwucht ein vorgegebenes Kriterium erfüllt, zum Beispiel unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwertes liegt oder ein Minimum einnimmt.
- Die Verwendung von vier Hilfswicklungen 11 ist als Beispiel zu sehen. Es können beispielsweise auch sechs Hilfswicklungen 11 vorgesehen sein, die bevorzugt in Umfangsrichtung U gesehen um einen Winkel von 60 Grad versetzt zueinander angeordnet sind.
-
- 11
- Hilfswicklung
- 13
- Polschuh
- 15
- Steuerung
- 17
- Sensor
- 111
- Turbomolekularpumpe
- 113
- Einlassflansch
- 115
- Pumpeneinlass
- 117
- Pumpenauslass
- 119
- Gehäuse
- 121
- Unterteil
- 123
- Elektronikgehäuse
- 125
- Elektromotor
- 127
- Zubehöranschluss
- 129
- Datenschnittstelle
- 131
- Stromversorgungsanschluss
- 133
- Fluteinlass
- 135
- Sperrgasanschluss
- 137
- Motorraum
- 139
- Kühlmittelanschluss
- 141
- Unterseite
- 143
- Schraube
- 145
- Lagerdeckel
- 147
- Befestigungsbohrung
- 148
- Kühlmittelleitung
- 149
- Rotor
- 151
- Rotationsachse
- 153
- Rotorwelle
- 155
- Rotorscheibe
- 157
- Statorscheibe
- 159
- Abstandsring
- 161
- Rotornabe
- 163
- Holweck-Rotorhülse
- 165
- Holweck-Rotorhülse
- 167
- Holweck-Statorhülse
- 169
- Holweck-Statorhülse
- 171
- Holweck-Spalt
- 173
- Holweck-Spalt
- 175
- Holweck-Spalt
- 179
- Verbindungskanal
- 181
- Wälzlager
- 183
- Permanentmagnetlager
- 185
- Spritzmutter
- 187
- Scheibe
- 189
- Einsatz
- 191
- rotorseitige Lagerhälfte
- 193
- statorseitige Lagerhälfte
- 195
- Ringmagnet
- 197
- Ringmagnet
- 199
- Lagerspalt
- 201
- Trägerabschnitt
- 203
- Trägerabschnitt
- 205
- radiale Strebe
- 207
- Deckelelement
- 209
- Stützring
- 211
- Befestigungsring
- 213
- Tellerfeder
- 215
- Not- bzw. Fanglager
- 217
- Motorstator
- 219
- Zwischenraum
- 221
- Wandung
- 223
- Labyrinthdichtung
- N
- Norpol
- S
- Südpol
- U
- Umfangsrichtung
Claims (15)
- Vakuumpumpe, insbesondere Turbomolekularpumpe, umfassend eine um eine Rotationsachse (151) drehbare Rotorwelle (153), und einen Elektromotor (125) mit einem an einem Gehäuse (119) der Vakuumpumpe (111) festgelegten Stator (217) und einem mit der Rotorwelle (153) gekoppelten Läufer, wobei der Stator (217) und der Läufer zum rotierenden Antreiben der Rotorwelle (153) vorgesehen sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Elektromotor (125), insbesondere dessen Stator (217), derart ausgebildet ist, dass dieser eine mit der Rotorwelle (153) synchron umlaufende, insbesondere in radialer Richtung wirkende, Kraft auf die Rotorwelle (153), insbesondere auf den mit der Rotorwelle (153) gekoppelten Läufer, bewirkt, wobei mittels der Kraft eine ebenfalls synchron umlaufende Restunwucht der Rotorwelle (153) zumindest annähernd kompensiert werden kann. - Vakuumpumpe nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
diese wenigstens einen Sensor (17), insbesondere Beschleunigungssensor, zur Messung der Restunwucht der Rotorwelle (153) aufweist. - Vakuumpumpe nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Sensor (17) in einer Ebene angeordnet ist, welche durch den Stator (217) des Elektromotors (125) und zumindest im Wesentlichen senkrecht zur Rotorwelle (153) verläuft, wobei, bevorzugt, der Sensor (17) am Läufer des Elektromotors (125) angeordnet ist. - Vakuumpumpe nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
mittels einer Steuerung (15) wenigstens ein Betriebsparameter des Elektromotors (125) zum Einstellen der Kraft nach Betrag und/oder Phasenlage und/oder zum Einstellen der Umlaufgeschwindigkeit der Kraft um die Rotationsachse (151) verstellbar ist. - Vakuumpumpe nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuerung (15) dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von einer Restunwucht der Rotorwelle (153) den wenigstens einen Betriebsparameter iterativ zu verstellen, insbesondere solange bis die Restunwucht ein bestimmtes Kriterium erfüllt, insbesondere einen minimalen Wert annimmt oder einen vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet. - Vakuumpumpe nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Stator (217) in Umfangsrichtung (U) des Stators (217) gesehen versetzt zueinander angeordnete Hilfswicklungen (11) aufweist, und die Steuerung (15) jede der Hilfswicklungen (11) zur Erzeugung eines magnetischen Felds mit einem elektrischen Strom versorgen kann, um die Kraft zumindest im Wesentlichen durch Wechselwirkung der von den Hilfswicklungen (11) erzeugten magnetischen Felder mit dem Magnetfeld des Läufers des Elektromotors (125) zu erzeugen. - Vakuumpumpe nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (217) vier Hilfswicklungen (11) aufweist, welche um zumindest annähernd 90 Grad in Umfangsrichtung (U) versetzt zueinander angeordnet sind. - Vakuumpumpe nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
jede Hilfswicklung (11) auf einem am Stator (217) vorgesehenen Polschuh (13) angeordnet ist. - Vakuumpumpe nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuerung (15) dazu ausgebildet ist, die elektrischen Ströme durch die Hilfswicklungen (11), insbesondere in Abhängigkeit von der jeweiligen Winkelstellung der Rotorwelle (153) und/oder in Abhängigkeit von einer gemessenen Restunwucht, einzustellen, um die Kraft zur zumindest annähernden Kompensation der Restunwucht zu erzeugen. - Vakuumpumpe nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
diese einen Sensor zur Messung der Winkelstellung der Rotorwelle (153) aufweist. - Verfahren zum Verringern einer Restunwucht einer um eine Rotationsachse (151) drehbaren Rotorwelle (153) einer Vakuumpumpe (111), insbesondere Turbomolekularpumpe, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Vakuumpumpe (111) einen Elektromotor (125) mit einem an einem Gehäuse (119) der Vakuumpumpe (111) festgelegten Stator (217) und einem mit der Rotorwelle (153) gekoppelten Läufer zum Antreiben der Rotorwelle (153) aufweist, und
wobei bei dem Verfahren
die Rotorwelle (153) derart angetrieben wird, dass sie zumindest im Wesentlichen mit einer konstanten Drehzahl rotiert,
eine Restunwucht der Rotorwelle (153) gemessen wird, und der Elektromotor (125), insbesondere dessen Stator (217), derart angesteuert wird, dass dieser eine mit der Rotorwelle (153) synchron umlaufende, insbesondere in radialer Richtung wirkende, Kraft auf die Rotorwelle (153), insbesondere auf den mit der Rotorwelle (153) gekoppelten Läufer, erzeugt, welche die ebenfalls synchron umlaufende Restunwucht zumindest annähernd kompensiert. - Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, dass die Restunwucht in einer Ebene gemessen wird, die durch den Stator (217) des Elektromotors (125) verläuft und die sich senkrecht zur Rotationsachse (151) erstreckt. - Verfahren nach Anspruch 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet, dass durch Verstellen wenigstens eines Betriebsparameters des Elektromotors (125) die Kraft in Bezug auf ihren Betrag und/oder ihre Phasenlage, insbesondere iterativ, solange verstellt wird, bis die Restunwucht ein bestimmtes Kriterium erfüllt, insbesondere ein Minimum einnimmt oder unterhalb einen vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet. - Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 11 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (217) in Umfangsrichtung (U) des Stators (217) gesehen versetzt zueinander angeordnete Hilfswicklungen (11) aufweist, die zur Erzeugung eines jeweiligen magnetischen Felds mit einem elektrischen Strom versorgt werden, um die Kraft zumindest im Wesentlichen durch Wechselwirkung der von den Hilfswicklungen (11) erzeugten magnetischen Felder mit dem Magnetfeld des Läufers des Elektromotors (125) zu erzeugen, wobei der elektrische Strom durch jede der Hilfswicklungen (11) derart eingestellt wird, dass die erzeugte Kraft synchron mit der Rotorwelle (153) umläuft und die ebenfalls synchron umlaufende Restunwucht zumindest annähernd kompensiert. - Verfahren nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung wenigstens eines elektrischen Stromes iterativ erfolgt.
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