EP3628873B1

EP3628873B1 - Rotorlagerung

Info

Publication number: EP3628873B1
Application number: EP19210176.4A
Authority: EP
Inventors: Armin Conrad
Original assignee: Pfeiffer Vacuum GmbH
Current assignee: Pfeiffer Vacuum GmbH
Priority date: 2015-01-30
Filing date: 2015-01-30
Publication date: 2020-09-09
Anticipated expiration: 2035-01-30
Also published as: EP3051141A1; EP3628873A1; EP3051141B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Lagerung eines Rotors gegenüber einem Stator, insbesondere zur Lagerung des Rotors einer Vakuumpumpe, mit einem radial stabilisierenden Permanentmagnetlager im Bereich eines der beiden Rotorenden und einem weiteren Lager im Bereich des gegenüberliegenden Rotorendes, und mit den weiteren Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner eine Vakuumpumpe, insbesondere Turbomolekularpumpe, mit einer solchen Rotorlagerung.
Magnetgelagerte Rotoren finden unter anderem in Vakuumpumpen Verwendung. Vakuumpumpen wie z.B. Turbomolekularpumpen werden in unterschiedlichen Bereichen der Technik eingesetzt, um ein für einen jeweiligen Prozess notwendiges Vakuum zu schaffen. Turbomolekularpumpen umfassen einen Stator mit mehreren in Richtung einer Rotorachse aufeinanderfolgenden Statorscheiben und einen relativ zu dem Stator um die Rotorachse drehbar gelagerten Rotor, der eine Rotorwelle und mehrere auf der Rotorwelle angeordnete, in axialer Richtung aufeinanderfolgende und zwischen den Statorscheiben angeordnete Rotorscheiben umfasst, wobei die Statorscheiben und die Rotorscheiben jeweils eine pumpaktive Struktur aufweisen.
Die derzeit bei Turbomolekularpumpen am häufigsten eingesetzte mechanisch/magnetische oder Hybrid-Rotorlagerung umfasst ein permanentmagnetisch wirkendes Radiallager an einem Rotorende sowie ein mit Schmiermittel versehenes Wälzlager auf der Gegenseite. Um bei einer solchen Hybrid-Rotorlagerung eine Zerstörung des permanentmagnetisch wirkenden Radiallagers sowie eine daraus resultierende Zerstörung des Gesamtrotors zu vermeiden, bildet ein Fanglager in Form eines trockenen, mechanischen Wälzlagers eine Art Anschlag, der verhindern soll, dass sich im Fall eines stärkeren Auslenkens des Rotors im Bereich des permanentmagnetisch wirkenden Radiallagers Rotor und Stator berühren.
Es wurden auch bereits ein- oder mehrachsig aktive magnetgelagerte Rotoren vorgeschlagen. Dabei handelt es sich um ein- bzw. mehrachsig positionsgeregelte Rotoren. Die derzeit am häufigsten eingesetzten Rotoren sind in allen fünf Achsen aktiv geregelt, was insbesondere bezüglich der Sensorik, der Aktuatoren, der Elektronik und des Regelalgorithmus mit einem relativ hohen Aufwand verbunden ist. Im Bereich der Turbomolekularpumpen kamen in den 1980er und 1990er Jahren auch einige einachsig aktive Lagerungen zum Einsatz, die zur axialen Stabilisierung eine notwendigerweise schwere Eisenscheibe auf dem Rotor, im Stator befindliche Elektromagnete sowie berührungslose Rotorpositionssensoren umfassten. Aufgrund der relativ aufwendigen Konstruktion und der entsprechend hohen Herstellungskosten wurden einachsig aktive Lagerungen dieser Art dann von 5-achsig aktiven Systemen abgelöst. Dies brachte zwar eine gewisse Kostenreduzierung mit sich. Insbesondere im Hinblick auf die Zuverlässigkeit, Stabilität und Präzision besteht jedoch auch zwischen solchen 5-achsig aktiven Systemen und der zuvor genannten mechanisch/magnetischen oder Hybrid-Rotorlagerung noch ein erheblicher Unterschied.
Eine Anordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist beispielsweise aus DE 28 25 551 A1 bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rotorlagerung sowie eine Vakuumpumpe der eingangs genannten Art anzugeben, mit denen die zuvor angeführten Probleme beseitigt sind. Dabei soll die Rotorlagerung bei einfacherem Aufbau und entsprechend günstigeren Herstellungs- und Betriebskosten sowie unter Vermeidung der sich im Zusammenhang mit den bisherigen einachsig aktiven Lagerungen ergebenden Nachteile zumindest im Wesentlichen dieselbe Zuverlässigkeit, Stabilität und Präzision wie die mechanisch/magnetische bzw. Hybrid-Rotorlagerung besitzen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Rotorlagerung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Vakuumpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Rotorlagerung sowie der erfindungsgemäßen Vakuumpumpe ergeben sich aus den Unteransprüchen, der vorliegenden Beschreibung sowie der Zeichnung.
Die erfindungsgemäße Anordnung zur Lagerung des Rotors gegenüber einem Stator, insbesondere zur Lagerung des Rotors einer Vakuumpumpe, umfasst ein radial stabilisierendes Permanentmagnetlager im Bereich eines der beiden Rotorenden und ein weiteres Lager im Bereich des gegenüberliegenden Rotorendes. Dabei ist das weitere Lager als axial aktives radial stabilisierendes Permanentmagnetlager ausgeführt, das zur axialen Stabilisierung ein statorseitiges Lagerteil umfasst, das einem bezüglich eines feststehenden Gehäuses des Stators axial beweglich gelagerten Zwischenteil zugeordnet und zusammen mit diesem relativ zum Statorgehäuse axial beweglich ist. Das Zwischenteil ist über eine Aktuatoreinheit beaufschlagbar, um einer jeweiligen axialen Abweichung des Rotors gegenüber einer Solllage entgegenzuwirken.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung ergibt sich eine Rotorlagerung, die bei einfacherem Aufbau und entsprechend günstigeren Herstellungs- und Betriebskosten insbesondere zumindest im Wesentlichen dieselbe Zuverlässigkeit, Stabilität und Präzision wie eine herkömmliche mechanisch/magnetische oder Hybrid-Rotorlagerung besitzt, und zwar ohne die sich im Zusammenhang mit den bisherigen einachsig aktiven Lagerungen ergebenden Nachteile.
Mit dem Ersatz des Wälzlagers der bisherigen mechanisch/magnetischen bzw. Hybrid-Rotorlagerung durch ein axial aktives radial stabilisierendes Permanentmagnetlager ist der Rotor nunmehr vollständig radial stabilisiert. Indem zur axialen Stabilisierung ein statorseitiges Lagerteil vorgesehen ist, das einem bezüglich eines feststehenden Gehäuses des Stators axial beweglich gelagerten Zwischenteil zugeordnet und zusammen mit diesem mit dem Statorgehäuse axial beweglich ist, entfällt die bisher bei einachsig aktiven Lagerungen erforderliche schwere Eisenscheibe auf dem Rotor.
Zudem kann eine jeweilige Auslenkung des Zwischenteils nunmehr auch durch einen im Vergleich zu einem berührungslosen Sensor einfacheren berührenden Sensor erfasst werden. Schließlich muss über die Aktuatoreinheit lediglich noch das relativ leichte Zwischenteil bewegt werden, um einer jeweiligen axialen Abweichung des Rotors gegenüber der Solllage entgegenzuwirken. Es ergibt sich somit ein magnetgelagerter Rotor mit einer einfachen, einachsig aktiven Lagerung ohne die mit den bisherigen einachsig aktiven Lagerungen einhergehenden Probleme.
Bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße Anordnung eine Sensoreinheit zur Messung einer jeweiligen axialen Auslenkung des Zwischenteils gegenüber dem Statorgehäuse und eine mit der Sensoreinheit und der Aktuatoreinheit in Verbindung stehende Steuereinrichtung, über die die Aktuatoreinheit in Abhängigkeit von der gemessenen axialen Auslenkung der Zwischenteils ansteuerbar ist.
Bei einer axialen Abweichung des Rotors von der Solllage ergibt sich eine Axialkraft, die sich magnetisch auf die statorseitigen Lagerteile der Permanentmagnetlager überträgt. Die betreffende Axialkraft stützt sich im Fall des radial stabilisierenden Permanentmagnetlagers im Bereich des einen Rotorendes am Statorgehäuse und im Fall des axial aktiven radial stabilisierenden Permanentmagnetlagers im Bereich des gegenüberliegenden Rotorendes an dem relativ zum Statorgehäuse axial beweglichen Zwischenteil ab. Damit kann eine Auslenkung des Zwischenteils durch die Sensoreinheit erfasst werden, wodurch eine jeweilige axiale Abweichung des Rotors gegenüber der Solllage feststellbar ist.
Bevorzugt ist die Aktuatoreinheit über die Steuereinheit so ansteuerbar, dass die axiale Auslenkung des Zwischenteils gegenüber dem Statorgehäuse im zeitlichen Mittel Null ist. Damit ergibt sich im zeitlichen Mittel ein stabiler axialer Arbeitspunkt.
Gemäß der Erfindung ist das Zwischenteil federnd und/oder gedämpft in das Statorgehäuse eingelegt.
Durch den federnden und/oder gedämpften Einbau des Zwischenteils in das Statorgehäuse wird das System dynamisch stabilisiert. Dabei kann das Zwischenteil beispielsweise über O-Ringe und/oder dergleichen federnd sowie gedämpft in das Statorgehäuse eingelegt sein.
Die Steuereinrichtung kann insbesondere eine Regelelektronik umfassen, die die Aktuatoreinheit bei einer erfassten Auslenkung des Zwischenteils stärker beaufschlagt, um das Zwischenteil in Rotorbewegungsrichtung zu beschleunigen, so dass der Rotor sozusagen "überholt" und der labile Punkt überschritten wird, um dann eine Gegenkraft aufbauen zu können, die den Rotor abbremst und in Gegenrichtung beschleunigt. Es ergibt sich somit im Mittel ein stabiler axialer Arbeitspunkt, bei dem die Auslenkung des Zwischenteils gegenüber dem Statorgehäuse im zeitlichen Mittel Null ist. Die Arbeitspunkte in verschiedenen Betriebssituationen (Rotorgewicht) und bei verschiedenen Betriebstemperaturen (thermische Rotorlängung) können sich geringfügig unterscheiden, was jedoch bei passend gewählten Steifigkeiten der beteiligten Federelemente unproblematisch ist.
Die Aktuatoreinheit umfasst erfindungsgemäß wenigstens einen Linearaktuator.
Gemäß einer bevorzugten praktischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung umfasst die Aktuatoreinheit wenigstens einen Elektromagneten und/oder wenigstens einen hydraulischen Aktuator.
Von Vorteil ist insbesondere auch, wenn die Sensoreinheit zur Messung einer jeweiligen axialen Auslenkung des Zwischenteils gegenüber dem Statorgehäuse einen berührenden Sensor umfasst.
Der Einsatz eines solchen berührenden Sensors ist zur Messung einer jeweiligen axialen Auslenkung des Zwischenteils problemlos möglich und mit weniger Aufwand verbunden als der Einsatz eines berührungslosen Sensors. Der Aufbau der Rotorlagerung wird damit weiter vereinfacht. Dabei kann die Sensoreinheit zur Messung einer jeweiligen axialen Auslenkung des Zwischenteils gegenüber dem Statorgehäuse beispielsweise einen Dehnungsmessstreifen oder dergleichen umfassen.
Von Vorteil ist zudem, wenn im Bereich der beiden Rotorenden jeweils zusätzlich ein zumindest radial wirkendes Fanglager vorgesehen ist.
Dabei ist das Fanglager im mit dem axial aktiven radial stabilisierenden Permanentmagnetlager versehenen Bereich des gegenüberliegenden Rotorendes bevorzugt als axial und radial wirkendes Fanglager ausgeführt.
Gegenüber den bisher üblichen mechanischen/magnetischen oder Hybrid-Rotorlagerungen weist die erfindungsgemäße Rotorlagerung vor allem die Vorteile einer rein berührungslosen Lagerung auf, mit der die mit herkömmlichen Wälz- und Gleitlagern einhergehenden Beschränkungen entfallen, die unter anderem darauf zurückzuführen sind, dass diese Wälz- und Gleitlager mit festen, flüssigen oder gasförmigen Schmierstoffen an den Kontaktflächen zwischen feststehendem und beweglichem Lagerteil arbeiten. Im Gegensatz dazu arbeiten Feldkraftlager, in denen die Lagerkräfte von magnetischen Feldern erzeugt werden, berührungslos und ohne Kontaktmedium. Entsprechende Feldkraftlager können mit besonderem Vorteil dort eingesetzt werden, wo andere Lager aufgrund von Schmierstoffproblemen an ihre Grenzen stoßen. So kann bei hohen Umgebungstemperaturen sowie durch Reibungswärme am Lagerspalt der Schmierstoff in schnell drehenden Systemen überhitzt werden und dadurch seine Funktion verlieren. Bei tiefen Temperaturen können flüssige Schmierstoffe zäh und dadurch unbrauchbar werden. Die Verwendung von Schmierstoffen kann auch aufgrund einer physikalischchemischen Unverträglichkeit bei bestimmten Anwendungen unerwünscht sein, wie dies insbesondere in der Vakuumtechnik und unter anderem beispielsweise auch in der Reinstraum-, Chemie-, Nahrungsmittel- und Medizintechnik der Fall ist. Bei der erfindungsgemäßen Rotorlagerung entfallen die genannten Beschränkungen. Sie arbeitet verschließ- und wartungsfrei und ist frei von reibungsbedingten Energieverlusten.
Mit der erfindungsgemäßen Rotorlagerung ergeben sich darüber hinaus auch Vorteile gegenüber bekannten mehrachsig aktiven und den bisherigen einachsig aktiven Magnetlagerungen. So ergibt sich insbesondere gegenüber den bisherigen 3-achsig aktiven Magnetlagerungen ein wesentlich geringerer Aufwand an Aktorik, Sensorik und Elektronik. Nachdem keine Eisenteile auf dem Rotor mehr benötigt werden, ergibt sich ein reduziertes Rotorgewicht. Mit der damit einhergehenden im Mittel geringeren Unwucht ergeben sich auch eine reduzierte Anlaufgefahr bzw. eine reduzierte Gefahr von Fanglagerkontakten sowie eine Verringerung der Geräusche. Die Aktorik und Sensorik kann insgesamt relativ kompakt gehalten und im Stator untergebracht werden, da die Kraftübertragung auf den Rotor magnetisch über das axial aktive radial stabilisierende Permanentmagnetlager erfolgen und die Rotorlage indirekt über Auslenkungen des Zwischenteils von dessen Mittellage erfasst werden kann.
Die erfindungsgemäße Rotorlagerung ist insbesondere bei Rotationsmaschinen mit geringen Axial- und Radiallasten im Standardbetriebsfall und bei Vakuumpumpen, wie insbesondere Turbomolekularpumpen, einsetzbar.
Die erfindungsgemäße Vakuumpumpe, insbesondere Turbomolekularpumpe, zeichnet sich dadurch aus, dass deren Rotor durch eine erfindungsgemäße Lagerung gegenüber deren Stator gelagert ist.
Dabei umfasst die Vakuumpumpe bevorzugt einen Permanentmagnetmotor als Drehantrieb für den Rotor.
Gemäß einer bevorzugten praktischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vakuumpumpe ist der Permanentmagnetmotor axial zwischen einem axial und radial wirkenden Fanglager und dem axial aktiven radial stabilisierenden Permanentmagnetlager angeordnet.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigen:

Fig. 1: eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Vakuumpumpe mit einer herkömmlichen mechanischen/magnetischen oder Hybrid-Rotorlagerung,
Fig. 2: eine Prinzipskizze einer beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Rotorlagerung, und
Fig. 3: eine detailliertere schematische Teildarstellung der erfindungsgemäßen Rotorlagerung gemäß Fig. 2, die hier beispielsweise in einer Vakuumpumpe, insbesondere Turbomolekularpumpe, integriert ist.

Die in Fig. 1 gezeigte herkömmliche Vakuumpumpe 10 umfasst einen von einem Einlassflansch 12 umgebenen Pumpeneinlass 14 sowie mehrere Pumpstufen zur Förderung des an dem Pumpeneinlass 14 anstehenden Gases zu einem in Fig. 1 nicht dargestellten Pumpenauslass. Die Vakuumpumpe 10 umfasst einen Stator mit einem statischen Gehäuse 16 und einem in dem Gehäuse 16 angeordneten Rotor mit einer um eine Rotationsachse 18 drehbar gelagerten Rotorwelle 20.
Die Vakuumpumpe 10 ist als Turbomolekularpumpe ausgebildet und umfasst mehrere pumpwirksam miteinander in Serie geschaltete turbomolekulare Pumpstufen mit mehreren mit der Rotorwelle 20 verbundenen turbomolekularen Rotorscheiben 22 und mehreren in axialer Richtung zwischen den Rotorscheiben 22 angeordneten und in dem Gehäuse 16 festgelegten turbomolekularen Statorscheiben 24, die durch Distanzringe 26 in einem gewünschten axialen Abstand zueinander gehalten sind. Die Rotorscheiben 22 und Statorscheiben 24 stellen in einem Schöpfbereich 28 eine in Richtung des Pfeils 30 gerichtete axiale Pumpwirkung bereit.
Die Vakuumpumpe 10 umfasst zudem drei in radialer Richtung ineinander angeordnete und pumpwirksam miteinander in Serie geschaltete Holweck-Pumpstufen. Der rotorseitige Teil der Holweck-Pumpstufen umfasst eine mit der Rotorwelle 20 verbundene Rotornabe 32 und zwei an der Rotornabe 32 befestigte und von dieser getragene zylindermantelförmige Holweck-Rotorhülsen 34, 36, die koaxial zu der Rotorachse 18 orientiert und in radialer Richtung ineinander geschachtelt sind. Ferner sind zwei zylindermantelförmige Holweck-Statorhülsen 38, 40 vorgesehen, die ebenfalls koaxial zu der Rotationsachse 18 orientiert und in radialer Richtung ineinander geschachtelt sind. Die pumpaktiven Oberflächen der Holweck-Pumpstufen sind jeweils durch die einander unter Ausbildung eines engen radialen Holweck-Spalts gegenüberliegenden radialen Mantelflächen jeweils einer Holweck-Rotorhülse 34, 36 und einer Holweck-Statorhülse 38, 40 gebildet. Dabei ist jeweils eine der pumpaktiven Oberflächen glatt ausgebildet, im vorliegenden Fall die der Holweck-Rotorhülse 34 bzw. 36, und die gegenüberliegende pumpaktive Oberfläche der Holweck-Statorhülse 38, 40 weist eine Strukturierung mit schraubenlinienförmig um die Rotationsachse 18 herum in axialer Richtung verlaufenden Nuten auf, in denen durch die Rotation des Rotors das Gas vorangetrieben und dadurch gepumpt wird.
Die drehbare Lagerung der Rotorwelle 20 wird durch ein Wälzlager 42 im Bereich des Pumpenauslasses und ein Permanentmagnetlager 44 im Bereich des Pumpeneinlasses 14 bewirkt.
Das Permanentmagnetlager 44 umfasst eine rotorseitige Lagerhälfte 46 und eine statorseitige Lagerhälfte 48, die jeweils einen Ringstapel aus mehreren in axialer Richtung aufeinandergestapelten permanentmagnetischen Ringen 50, 52 umfassen, wobei die Magnetringe 50, 52 unter Ausbildung eines radialen Lagerspalts 54 einander gegenüberliegen.
Innerhalb des Permanentmagnetlagers 44 ist ein Not- oder Fanglager 56 vorgesehen, das als ungeschmiertes Wälzlager ausgebildet ist und im normalen Betrieb der Vakuumpumpe ohne Berührung leerläuft und erst bei einer übermäßigen radialen Auslenkung des Rotors gegenüber den Stator in Eingriff gelangt, um einen radialen Anschlag für den Rotor zu bilden, der eine Kollision der rotorseitigen Strukturen mit den statorseitigen Strukturen verhindert.
Im Bereich des Wälzlagers 42 ist an der Rotorwelle 20 eine konische Spritzmutter 58 mit einem zu dem Wälzlager 42 hin zunehmenden Außendurchmesser vorgesehen, die mit einem Abstreifer eines mehrere mit einem Betriebsmittel, wie z.B. einem Schmiermittel, getränkte saugfähige Scheiben 60 umfassenden Betriebsmittelspeichers in gleitendem Kontakt steht. Im Betrieb wird das Betriebsmittel durch kapillare Wirkung von dem Betriebsmittelspeicher über den Abstreifer auf die rotierende Spritzmutter 58 übertragen und infolge der Zentrifugalkraft entlang der Spritzmutter 58 in Richtung des größer werdenden Außendurchmessers der Spritzmutter 58 zu dem Wälzlager 42 hin gefördert, wo es z.B. eine schmierende Funktion erfüllt.
Die Vakuumpumpe umfasst einen Antriebsmotor 62 zum drehenden Antreiben des Rotors, dessen Läufer durch die Rotorwelle 20 gebildet ist. Eine Steuereinheit 64 steuert den Antriebsmotor 62 an.
Die turbomolekularen Pumpstufen stellen in dem Schöpfbereich 28 eine Pumpwirkung in Richtung des Pfeils 30 bereit.
Fig. 2 zeigt eine Prinzipskizze einer beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Rotorlagerung. Fig. 3 zeigt eine schematische Teildarstellung der erfindungsgemäßen Rotorlagerung gemäß Fig. 2, wobei insbesondere das axial aktive radial stabilisierende Permanentmagnetlager detaillierter dargestellt ist. Dabei ist die in Fig.3 dargestellte Rotorlagerung beispielsweise in eine Vakuumpumpe, insbesondere Turbomolekularpumpe, integriert.
Die in den Fig. 2 und 3 dargestellte Anordnung 66 zur Lagerung eines Rotors 68 gegenüber einem Stator 70 ist beispielsweise zur Lagerung des Rotors 68 einer Vakuumpumpe 72, insbesondere einer Turbomolekularpumpe (vgl. insbesondere Fig. 3), einsetzbar.
Die durch die Anordnung 66 gebildete Rotorlagerung umfasst ein radial stabilisierendes Permanentmagnetlager 74 (vgl. Fig. 2) im Bereich eines der beiden Rotorenden und ein weiteres Lager im Bereich des gegenüberliegenden Rotorendes, das als axial aktives radial stabilisierendes Permanentmagnetlager 76 ausgeführt ist.
Zur axialen Stabilisierung umfasst das axial aktive radial stabilisierende Permanentmagnetlager 76 ein statorseitiges Lagerteil 78 (vgl. Fig. 3), das einem bezüglich eines feststehenden Gehäuses 80 des Stators 70 axial beweglich gelagerten Zwischenteil 82 zugeordnet und zusammen mit diesem relativ zum Statorgehäuse 80 axial beweglich ist.
Das Zwischenteil 82 ist über eine Aktuatoreinheit 84 (vgl. Fig. 3) beaufschlagbar, um einer jeweiligen axialen Abweichung des Rotors 68 gegenüber einer Solllage entgegenzuwirken.
Zudem umfasst die Anordnung bzw. Rotorlagerung 66 eine Sensoreinheit 86 (vgl. Fig. 3) zur Messung einer jeweiligen axialen Auslenkung des Zwischenteils 82 gegenüber dem Statorgehäuse 80. Des Weiteren ist eine mit der Sensoreinheit 86 und der Aktuatoreinheit 84 in Verbindung stehende Steuereinrichtung 88 vorgesehen, über die die Aktuatoreinheit 84 in Abhängigkeit von der gemessenen axialen Auslenkung des Zwischenteils 82 ansteuerbar ist.
Dabei ist die Aktuatoreinheit 84 über die Steuereinrichtung 88 insbesondere so ansteuerbar, dass die axiale Auslenkung des Zwischenteils 82 gegenüber dem Statorgehäuse 80 im zeitlichen Mittel Null ist.
Das Zwischenteil 82 ist federnd sowie gedämpft in das Statorgehäuse 80 eingelegt, was hier durch O-Ringe 90 veranschaulicht ist.
Die Aktuatoreinheit 84 kann insbesondere einen oder mehrere Linearaktuatoren umfassen. Dabei können beispielsweise ein oder mehrere Elektromagnete und/oder ein oder mehrere hydraulische Aktuatoren eingesetzt werden. Im vorliegenden Fall umfasst die Aktuatoreinheit 84 beispielsweise zwei Elektromagnete 84', 84" zur Beaufschlagung des Zwischenteils 82 in entgegengesetzten Axialrichtungen.
Die Sensoreinheit 86 zur Messung einer jeweiligen axialen Auslenkung des Zwischenteils 82 gegenüber dem Statorgehäuse 80 kann insbesondere einen berührenden Sensor wie beispielsweise einen Dehnungsmessstreifen oder dergleichen, umfassen.
Im Bereich der beiden Rotorenden kann jeweils auch ein radial wirkendes Fanglager 92, 94 vorgesehen sein. Dabei kann insbesondere das Fanglager 92 im mit dem axial aktiven radial stabilisierenden Permanentmagnetlager 76 versehenen Bereich des betreffenden Rotorendes als axial und radial wirkendes Fanglager ausgeführt sein.
Bei einer jeweiligen axialen Abweichung des Rotors 68 aus der Solllage ergibt sich eine Axialkraft, die sich magnetisch auf die statorseitigen Lagerteile der Permanentmagnetlager 76, 76 überträgt. Diese wiederum stützen sich im Fall des radial stabilisierenden Permanentmagnetlagers 74 an dem Statorgehäuse 80 und im Fall des axial aktiven radial stabilisierenden Permanentmagnetlagers 76 an dem federnd im Statorgehäuse 80 aufgehängten Zwischenteil 82 ab. Dadurch wird das Zwischenteil 82 mit dem statorseitigen Lagerteil 78 des axial aktiven radial stabilisierenden Permanentmagnetlagers entsprechend der Federkonstanten gegenüber dem Statorgehäuse 80 ausgelenkt. Diese Auslenkung kann mittels der Sensoreinheit 86 gemessen werden.
Über die Steuereinrichtung 88 bzw. eine dieser zugeordnete Regelelektronik kann nun der betreffende Elektromagnet 84' bzw. 84" der Aktuatoreinheit 84 bestromt oder stärker bestromt werden, der das Zwischenteil 82 in Rotorbewegungsrichtung beschleunigt, um dieses Zwischenteil 82 insbesondere so stark zu beschleunigen, dass es den Rotor 68 sozusagen "überholt", womit der labile Punkt überschritten wird, um dann eine Gegenkraft aufbauen zu können, die den Rotor 68 abbremst und in Gegenrichtung beschleunigt.
Damit kann sich ein im zeitlichen Mittel stabiler axialer Arbeitspunkt einstellen, bei dem die Auslenkung des Zwischenteils 82 gegenüber dem Statorgehäuse 80 im zeitlichen Mittel Null ist.
Wie der Fig. 3 entnommen werden kann, können der am Zwischenteil 82 angeordnete statorseitige Lagerteil 78 sowie der rotorseitige Lagerteil 96 des axial aktiven radial stabilisierenden Permanentmagnetlagers 76 jeweils durch einen Magnetringstapel aus mehreren permanentmagnetischen Magnetringen gebildet sein. Die Magnetringe eines jeweiligen Stapels können dabei in axialer Richtung aufeinander gestapelt sein und eine zumindest näherungsweise zylindermantelförmige Grundform des jeweiligen Stapels bilden. Der im Wesentlichen zylindermantelförmige Rotorstapel und der im Wesentlichen zylindermantelförmige Statorstapel sind im Wesentlichen koaxial zueinander und im Wesentlichen koaxial zu der Rotationsachse 98 der Vakuumpumpe 72 angeordnet. Dabei ist der Statorstapel im vorliegenden Fall innerhalb des Rotorstapels positioniert, so dass die im Wesentlichen zylindermantelförmige radiale Innenfläche des Rotorstapels der ebenfalls im Wesentlichen zylindermantelförmigen radialen Außenfläche des Statorstapels gegenüberliegt. Zwischen der radialen Innenfläche des Rotorstapels und der radialen Außenfläche des Statorstapels bzw. zwischen dem statorseitigen Lagerteil 78 und dem rotorseitigen Lagerteil 96 des axial aktiven radial stabilisierenden Permanentmagnetlagers 76 ergibt sich ein zumindest näherungsweise zylindermantelförmiger radialer magnetischer Spalt 100, der durch die Magnetringe begrenzt wird.
Der Rotor 68 der Vakuumpumpe 72 umfasst eine Rotorwelle 104 sowie an dieser angeordnete Rotorscheiben 106. Der Rotor 68 ist beispielsweise durch einen Permanentmagnetmotor 102 antreibbar. Dabei ist dieser Permanentmagnetmotor 102 im vorliegenden Fall beispielsweise axial zwischen dem axial und radial wirkenden Fanglager 92 und dem axial aktiven radial stabilisierenden Permanentmagnetlager 76 angeordnet.
Die in den Fig. 2 und 3 dargestellte erfindungsgemäße Rotorlagerung 66 unterscheidet sich von der in der Fig. 1 dargestellten herkömmlichen mechanischen/magnetischen oder Hybrid-Rotorlagerung somit im Wesentlichen dadurch, dass das mechanische Wälzlager durch das axial aktive radial stabilisierende Permanentmagnetlager 76 ersetzt ist, das zur axialen Stabilisierung das statorseitige Lagerteil 78 umfasst, das dem bezüglich des feststehenden Statorgehäuses 80 axial beweglich gelagerten Zwischenteil 82 zugeordnet und zusammen mit diesem relativ zum Statorgehäuse 80 axial beweglich ist. Das Zwischenteil 82 kann in der vorstehend beschriebenen Weise über die Aktuatoreinheit 84 beaufschlagbar sein, um einer jeweiligen axialen Abweichung des Rotors 68 gegenüber einer Solllage entgegenzuwirken.
Abgesehen von der erfindungsgemäßen Rotorlagerung kann die erfindungsgemäße Vakuumpumpe 72 bzw. Turbomolekularpumpe beispielsweise zumindest im Wesentlichen wieder denselben Aufbau besitzen wie die in der Fig. 1 dargestellte Vakuumpumpe.

Bezugszeichenliste

10: Vakuumpumpe
12: Einlassflansch
14: Pumpeneinlass
16: Gehäuse
18: Rotationsachse
20: Rotorwelle
22: Rotorscheibe
24: Statorscheibe
26: Distanzring
28: Schöpfbereich
30: Pfeil
32: Rotornabe
34: Holweck-Rotorhülse
36: Holweck-Rotorhülse
38: Holweck-Statorhülse
40: Holweck-Statorhülse
42: Wälzlager
44: Permanentmagnetlager
46: rotorseitige Lagerhälfte
48: statorseitige Lagerhälfte
50: permanentmagnetischer Ring
52: permanentmagnetischer Ring
54: radialer Lagerspalt
56: Not- oder Fanglager
58: konische Spritzmutter
60: saugfähige Scheibe
62: Antriebsmotor
64: Steuereinheit
66: Anordnung, Rotorlagerung
68: Rotor
70: Stator
72: Vakuumpumpe
74: radial stabilisierendes Permanentmagnetlager
76: axial aktives radial stabilisierendes Permanentmagnetlager
78: statorseitiges Lagerteil
80: Statorgehäuse
82: Zwischenteil
84: Aktuatoreinheit
84': Elektromagnet
84": Elektromagnet
86: Sensoreinheit
88: Steuereinrichtung
90: O-Ring
92: axial und radial wirkendes Fanglager
94: radial wirkendes Fanglager
96: rotorseitiger Lagerteil
98: Rotationsachse
100: magnetischer Spalt
102: Permanentmagnetmotor
104: Rotorwelle
106: Rotorscheibe

Claims

Anordnung (66) zur Lagerung eines Rotors (68) gegenüber einem Stator (70), insbesondere zur Lagerung des Rotors (68) einer Vakuumpumpe (72), mit einem radial stabilisierenden Permanentmagnetlager (74) im Bereich eines der beiden Rotorenden und mit einem weiteren Lager (76) im Bereich des gegenüberliegenden Rotorendes,
wobei das weitere Lager als axial aktives radial stabilisierendes Permanentmagnetlager (76) ausgeführt ist, das zur axialen Stabilisierung ein statorseitiges Lagerteil (78) umfasst, das einem bezüglich eines feststehenden Gehäuses (80) des Stators (70) axial beweglich gelagerten Zwischenteil (82) zugeordnet und zusammen mit diesem relativ zum Statorgehäuse (80) axial beweglich ist,
wobei das Zwischenteil (82) über eine Aktuatoreinheit (84) beaufschlagbar ist, um einer jeweiligen axialen Abweichung des Rotors (68) gegenüber einer Solllage entgegenzuwirken, und
wobei die Aktuatoreinheit (84) wenigstens einen Linearaktuator umfasst,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Zwischenteil (82) federnd und/oder gedämpft in das Statorgehäuse (80) eingelegt ist, insbesondere über O-Ringe (90).
Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Sensoreinheit (86) zur Messung einer jeweiligen axialen Auslenkung des Zwischenteils (82) gegenüber dem Statorgehäuse (80) und eine mit der Sensoreinheit (86) und der Aktuatoreinheit (84) in Verbindung stehende Steuereinrichtung (88) vorgesehen sind, über die die Aktuatoreinheit (84) in Abhängigkeit von der gemessenen axialen Auslenkung des Zwischenteils (82) ansteuerbar ist.
Anordnung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoreinheit (48) über die Steuereinrichtung (88) so ansteuerbar ist, dass die axiale Auslenkung des Zwischenteils (82) gegenüber dem Statorgehäuse (80) im zeitlichen Mittel Null ist.
Anordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoreinheit (84) wenigstens einen Elektromagneten (84') und/oder wenigstens einen hydraulischen Aktuator umfasst.
Anordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (86) zur Messung einer jeweiligen axialen Auslenkung des Zwischenteils (82) gegenüber dem Statorgehäuse (80) einen berührenden Sensor umfasst.
Anordnung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (86) zur Messung einer jeweiligen axialen Auslenkung des Zwischenteils (82) gegenüber dem Statorgehäuse (80) einen Dehnungsmessstreifen umfasst.
Anordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der beiden Rotorenden jeweils zusätzlich ein zumindest radial wirkendes Fanglager (92, 94) vorgesehen ist.
Anordnung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass dasjenige Fanglager (92), das am Rotorende im Bereich des axial aktiven radial stabilisierenden Permanentmagnetlagers (76) vorgesehen ist, als axial und radial wirkendes Fanglager ausgeführt ist.
Vakuumpumpe (72), insbesondere Turbomolekularpumpe, mit einem Rotor (68) und einem Stator (70), wobei der Rotor (68) durch eine Anordnung (66) nach einem der vorstehenden Ansprüche gegenüber dem Stator (70) gelagert ist.
Vakuumpumpe nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumpumpe (72) einen Permanentmagnetmotor (102) als Drehantrieb für den Rotor (68) umfasst.
Vakuumpumpe nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnetmotor (102) axial zwischen einem axial und radial wirkenden Fanglager (92) und dem axial aktiven radial stabilisierenden Permanentmagnetlager (76) angeordnet ist.