EP4556718A1 - Vakuumpumpe mit magnetlagerung - Google Patents

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EP4556718A1
EP4556718A1 EP25166413.2A EP25166413A EP4556718A1 EP 4556718 A1 EP4556718 A1 EP 4556718A1 EP 25166413 A EP25166413 A EP 25166413A EP 4556718 A1 EP4556718 A1 EP 4556718A1
Authority
EP
European Patent Office
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bearing
pump
housing
rotor
vacuum pump
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP25166413.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bernhard Koch
Nikolai Wolff
Bernhard TAZBER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Pfeiffer Vacuum Technology AG
Original Assignee
Pfeiffer Vacuum Technology AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Pfeiffer Vacuum Technology AG filed Critical Pfeiffer Vacuum Technology AG
Priority to EP25166413.2A priority Critical patent/EP4556718A1/de
Publication of EP4556718A1 publication Critical patent/EP4556718A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D19/00—Axial-flow pumps
    • F04D19/02—Multi-stage pumps
    • F04D19/04—Multi-stage pumps specially adapted to the production of a high vacuum, e.g. molecular pumps
    • F04D19/042—Turbomolecular vacuum pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D25/00—Pumping installations or systems
    • F04D25/02—Units comprising pumps and their driving means
    • F04D25/06—Units comprising pumps and their driving means the pump being electrically driven
    • F04D25/0606—Units comprising pumps and their driving means the pump being electrically driven the electric motor being specially adapted for integration in the pump
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
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    • F04D29/52—Casings; Connections of working fluid for axial pumps
    • F04D29/522—Casings; Connections of working fluid for axial pumps especially adapted for elastic fluid pumps
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04D29/58—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer
    • F04D29/5806—Cooling the drive system
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    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
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    • F05D2260/2214—Improvement of heat transfer by increasing the heat transfer surface
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    • F05D2260/30—Retaining components in desired mutual position
    • F05D2260/37—Retaining components in desired mutual position by a press fit connection

Definitions

  • the invention relates to a vacuum pump, which is in particular a turbomolecular pump and which comprises a pump housing, a rotor with pump-active elements and a bearing drive unit which contains bearing elements of a magnetic bearing for supporting the rotor and a motor for driving the rotor.
  • Such vacuum pumps often incorporate active magnetic bearings, which provide contactless support for the vacuum pump rotor.
  • Such an active magnetic bearing keeps the rotor suspended between stator elements in a predetermined spatial position during operation of the vacuum pump.
  • Bearing elements of such a magnetic bearing and an electric motor for driving the rotor are often housed together in a common bearing housing to form a so-called spindle for active magnetic bearings, or active magnetic bearing spindle, which can be integrated into the vacuum pump as a bearing drive unit.
  • This bearing drive unit can be aligned and balanced together with the rotor before they are installed together in the vacuum pump.
  • the bearing drive unit is usually attached to an upper or lower axial end of the bearing drive unit or magnetic bearing spindle, for example, in a lower part of a pump housing of a turbomolecular pump.
  • the installation of the bearing drive unit or magnetic bearing spindle and the rotor is usually carried out from the top relative to the bottom part of the pump housing. In such an installation, the laying of the The installation of the required cables for the bearing elements of the magnetic bearing and the motor is often complex, as the required connections on the bearing drive unit and the motor are often not easily accessible after the magnetic bearing spindle has been installed. There is a risk of assembly errors, for example, due to trapped cables.
  • thermal contact between the bearing drive unit and the pump housing may be insufficient if the housing of the bearing drive unit or magnetic bearing spindle is attached at its upper or lower axial end.
  • the motor for driving the rotor is often located in the center of the bearing drive unit or magnetic bearing spindle, where it is the main source of thermal heating of the bearing drive unit. Therefore, there is usually a certain distance up to the attachment at the upper or lower axial end of the bearing drive unit, which makes it difficult to dissipate heat from the motor via the bearing drive unit attachment. Furthermore, attaching the bearing drive unit or magnetic bearing spindle at its upper or lower axial end can lead to certain vibrations within the vacuum pump.
  • An object of the invention is to provide a vacuum pump in which a bearing drive unit or magnetic bearing spindle can be installed with little effort and in which the thermal connection and the vibration behavior of the bearing drive unit are improved.
  • the vacuum pump which is in particular a turbomolecular pump, comprises a pump housing, a rotor which comprises pump-active elements and a Has an axis of rotation that defines an axial direction, and a bearing drive unit.
  • This bearing drive unit comprises bearing elements of a magnetic bearing for supporting the rotor, a motor for driving the rotor, and a bearing housing within which the bearing elements and the rotor are arranged.
  • the bearing housing has a fastening connection to the pump housing, which is arranged in the axial direction in a region of the motor.
  • the magnetic bearing can be an active magnetic bearing, i.e., a magnetic bearing with such position control of the vacuum pump rotor that the vacuum pump rotor is suspended within the magnetic bearing during operation. In such a suspended state, the vacuum pump rotor has no contact with any other elements of the vacuum pump.
  • Contact with rolling bearings also known as emergency or safety bearings, only occurs in unexpected events that deviate from the normal operation of the vacuum pump and cause the rotor to deviate from its target position within the magnetic bearing. Furthermore, the rotor remains in contact with the emergency or safety bearings after the vacuum pump is shut down.
  • the bearing drive unit can also be referred to as an active magnetic bearing spindle if the magnetic bearing is an active magnetic bearing.
  • Both the bearing elements of the magnetic bearing and the motor or electric motor for driving the rotor can be arranged within the bearing housing of the magnetic bearing spindle.
  • the arrangement of the fastening connection in the axial direction in a region of the motor can be designed such that there is at least a partial overlap of the motor and the fastening connection in the axial direction.
  • the fastening connection is formed, for example, by a collar or a projection on an outer side of the bearing housing of the bearing drive unit, there is a certain axial and circumferential Area in which the bearing housing covers part of the outer surface of the motor when the vacuum pump is viewed from the outside in the radial direction.
  • the vacuum pump motor can be arranged in a central region of the bearing housing, i.e., at an approximately equal distance from the axial ends of the bearing housing or the magnetic bearing spindle. Therefore, the fastening connection between the bearing housing and the pump housing can also be arranged in such a central region of the bearing drive unit or its bearing housing in the axial direction and thus be approximately equally spaced from the two axial ends of the bearing housing.
  • the axial distance of the fastening connection relative to the center of the bearing housing is smaller in the axial direction than its respective radial distance from the axial ends of the bearing housing.
  • the difference between the respective distances from the axial ends of the bearing housing can thus be smaller than the respective distances of the fastening connection from the axial ends of the bearing housing, i.e., smaller than the smaller of the two axial distances.
  • the vacuum pump is characterized, on the one hand, by the small distance between the motor and the mounting connection of the bearing housing, since the mounting connection is arranged axially approximately at the height of the motor. This allows the heat generated by the motor during operation of the vacuum pump to be transferred more directly to the pump housing than, for example, with a mounting connection at one of the axial ends of the bearing housing.
  • the mounting connection at the height of the motor for example, in the axial direction in the center of the bearing housing, thus improves the thermal coupling of the vacuum pump motor to the pump housing.
  • the bearing drive unit can be easily wired if the mounting connection between the bearing housing and the pump housing is located approximately at the height of the motor in the axial direction. For example, with a vertical vacuum pump arrangement, accessible space is available below the bearing drive unit if the mounting connection is located approximately at the height of the motor in the axial direction.
  • the fastening connection of the bearing housing can be formed with a section of the pump housing that has at least one cooling element. Since the fastening connection is additionally located in the axial direction in the region of the motor, the heat of the motor that arises during operation of the vacuum pump can be dissipated even more efficiently in this embodiment, since the distance between the motor and the cooling element via the fastening connection is small. In this embodiment, therefore, due to the arrangement of the fastening connection of the bearing housing, there is a direct, short connection between the motor of the vacuum pump and the cooling element in a section of the pump housing in both the radial and axial directions.
  • the cooling element can be designed as a water cooling system.
  • the portion of the pump housing that has such a water cooling system as the cooling element can have an internal channel or cavity through which cooling water flows. This allows for efficient cooling of the pump housing.
  • the section of the pump housing with which the mounting connection of the bearing housing is formed may have cooling fins.
  • the cooling fins may thus represent a second cooling element in addition to the water cooling to intensify the cooling of the motor.
  • a section of the water cooling system can extend through the bearing drive unit.
  • a channel or cavity for water cooling thus extends not only through the section of the pump housing in which the fastening connection of the bearing housing of the bearing drive unit is formed, but also through the bearing drive unit or its bearing housing.
  • the distance between the motor and the water cooling system is further reduced, allowing for even more efficient cooling of the motor during operation of the vacuum pump.
  • the bearing housing may have an outer projection or collar extending outward from an outer edge of the bearing housing in a radial direction perpendicular to the axial direction.
  • the pump housing may accordingly have an inner projection or collar extending inward from an inner edge of the pump housing in the radial direction.
  • the fastening connection between the bearing housing and the pump housing may be formed by a connection of the outer projection of the bearing housing and the inner projection of the pump housing.
  • the fastening connection can therefore be made with little effort between the two projections of the bearing housing and the pump housing.
  • the two projections can be connected, for example, by a screw connection, e.g. a connection by means of screws extending in the axial direction or in another way, for example by gluing.
  • the inner projection of the pump housing can also be arranged axially between the outer projection of the bearing housing and the pumping elements of the rotor.
  • the outer projection or collar of the bearing housing and the pumping elements of the rotor are therefore located on opposite sides of the inner projection or collar of the pump housing.
  • the vacuum pump is arranged vertically, i.e., if the rotor's rotational axis runs vertically, the outer projection of the bearing housing of the bearing drive unit or magnetic bearing spindle is arranged below the inner projection of the pump housing in this embodiment.
  • the bearing drive unit or magnetic bearing spindle can be installed from the underside of the pump, after the vacuum pump rotor has already been installed within the pump housing.
  • the fastening connection can comprise a screw connection that can extend through the outer projection of the bearing housing in the direction of the pump-active elements.
  • screws can extend in the axial direction through the outer projection of the bearing housing and extend with their respective tips into the inner projection of the pump housing.
  • the outer projection of the bearing housing can be arranged axially between the inner projection of the pump housing and the pumping elements of the rotor.
  • the inner projection of the pump housing and the pumping elements of the rotor can be arranged axially on opposite sides of the outer projection of the bearing housing.
  • the outer projection of the bearing housing in this embodiment is located above the inner projection of the pump housing.
  • the bearing drive unit or magnetic bearing spindle is inserted into the pump housing from the top of the vertically oriented vacuum pump and, for this purpose, is previously connected to the rotor of the vacuum pump.
  • the bearing drive unit can be mounted together with the rotor and balanced, for example, by laser balancing.
  • the assembly consisting of the rotor and magnetic bearing spindle or bearing drive unit can then be inserted into the pump housing from above. This simplifies the balancing of the vacuum pump, as the bearing drive unit or magnetic bearing spindle and the rotor are already balanced before they are inserted into the pump housing.
  • the bearing drive unit can have receiving elements for fastening stator elements of one or more pumping stages of the vacuum pump. These receiving elements can be provided, for example, for Holweck stators of the vacuum pump.
  • the Holweck stators can thus first be integrated into or connected to the bearing drive unit or magnetic bearing spindle before further installation together with the rotor of the vacuum pump. This can reduce tolerances when installing or fastening the elements of the vacuum pump. Rotor elements of a Holweck pumping stage of the vacuum pump can therefore be aligned more precisely with respect to the Holweck stators, since these can first be connected and aligned with the bearing drive unit or magnetic bearing spindle.
  • the bearing drive unit serves as a reference unit for the installation of the Holweck stators and the Holweck rotor elements when they are implemented or installed in the vacuum pump.
  • the fastening connection can comprise a screw connection that extends through the inner projection of the pump housing toward the pump-active elements.
  • screws can extend in the axial direction through the inner projection of the pump housing and with their respective tips into the outer projection of the bearing housing.
  • the direction of extension of the screw connection refers to the direction of movement of the respective screws, when they are screwed into the projections of the respective housings to establish the screw connection.
  • the respective extension direction of the screw connection runs from a respective head to a respective tip of the screws.
  • the fastening connection can be formed by pressing or shrinking the bearing housing into a portion of the pump housing. Consequently, in this embodiment, projections on the bearing housing or the pump housing are not necessarily required, although the pressing or shrinking can also be performed between the projections described above instead of screw connections. Furthermore, the pressing or shrinking can establish a large-area contact between the bearing housing and the pump housing, which can improve the thermal coupling of the bearing housing, and thus the motor, to the pump housing.
  • the bearing housing may further comprise an external thread, which may be configured to be screwed into an internal thread of a portion of the pump housing.
  • an external thread which may be configured to be screwed into an internal thread of a portion of the pump housing.
  • no projections of the bearing housing or the pump housing are required, although the external thread and the internal thread may also be formed on the projections described above to replace screws.
  • the axial position of the entire magnetic bearing i.e., the bearing elements within the bearing drive unit, can be adjusted or displaced in the axial direction by means of the external thread on the bearing housing of the bearing drive unit when the external thread of the bearing housing is rotated in the internal thread of the pump housing.
  • the axial position of the rotor or its rotor disks within the stator elements of turbomolecular pumping stages can be adjusted and optimized, since the spatial position of the rotor during operation of the vacuum pump or turbomolecular pump is fixed by means of the magnetic bearing.
  • the connection between the internal and external threads can also enable large-area contact between the bearing housing and the pump housing, through which the heat from the vacuum pump motor can be efficiently dissipated when the vacuum pump is in operation.
  • the bearing housing may in turn have an outer projection extending from an outer edge of the bearing housing in a radial direction perpendicular to the axial direction, and this outer projection may form a portion of the pump housing.
  • the projection or collar of the bearing housing thus forms an intermediate piece of the pump housing between its upper part, in which the pump-active elements of the rotor may be located, and its lower part of the housing, in which control and connection elements of the vacuum pump are usually located.
  • the motor can also be arranged in the axial direction between the bearing elements of the magnetic bearing.
  • the motor can be located in the axial direction between bearing elements for radially supporting the rotor, which are thus arranged in the axial direction on both sides of the motor.
  • the bearing drive unit can also comprise axial bearing elements or bearing elements for axially supporting the rotor, which are arranged, for example, in the axial direction outside the radial bearing elements and in a region of one axial end or both axial ends of the bearing drive unit.
  • FIG. 1 A vacuum pump 100 designed as a turbomolecular pump is schematically shown.
  • the turbomolecular pump 100 comprises turbomolecular pumping stages 102 and Holweck pumping stages 104.
  • the turbomolecular pump 100 has a pump housing 110 comprising an upper part 112, an intermediate part 114, and a lower part 116.
  • the pump housing 110 has an inner projection 118 extending from an inner edge of the pump housing 110, the function of which is described in more detail below.
  • the turbomolecular pump 100 further comprises a rotor 120 having a rotor shaft 122.
  • the rotor shaft 122 in turn has a rotational axis 124 about which the rotor 120 rotates during operation of the turbomolecular pump 100 and which defines an axial direction within the turbomolecular pump 100, for example in Fig. 1 from bottom to top.
  • the inner projection 118 of the pump housing thus extends inwardly in a radial direction perpendicular to the axial direction and additionally circumferentially around the rotational axis 124 of the rotor 120.
  • the rotor 120 further comprises rotor disks 126 associated with the turbomolecular pumping stages 102 and Holweck rotor elements 128 arranged in Fig. 1 are arranged below the rotor disks 126 and extend downwards in the axial direction.
  • Stator disks 132 are arranged between the rotor disks 126 in the region of the turbomolecular pumping stages 102.
  • the Holweck pumping stages 104 comprise helical Holweck stator elements 134, each of which is assigned to one of the Holweck rotor elements 128.
  • the turbomolecular pump 100 further comprises a bearing drive unit or magnetic bearing spindle 140, which comprises bearing elements of a magnetic bearing 141 for supporting the rotor 120.
  • the bearing elements of the magnetic bearing 141 comprise radial bearings 142, which are provided for supporting or aligning the rotor shaft 122 in the radial direction perpendicular to the axis of rotation 124 or to the axial direction.
  • the bearing elements of the magnetic bearing 141 comprise axial bearings 144, which are provided for aligning or supporting the rotor shaft 122 in the axial direction parallel to the axis of rotation 124.
  • the radial bearings 142 and the axial bearings 144 of the magnetic bearing 141 are arranged within a bearing housing 146 of the bearing drive unit 140.
  • the bearing housing 146 has on its outer edge an outer projection or collar 148 which runs around the axis of rotation 124 and is provided for fastening the bearing drive unit 140 to the inner projection 118 of the intermediate piece 114 by means of screws 149.
  • the bearing drive unit 140 further includes an electric motor 150, which is provided for driving the rotor 120.
  • the electric motor 150 is arranged in the axial direction between the radial bearings 142 of the magnetic bearing 141.
  • the radial bearings 142 are approximately identical in construction and, viewed conversely, are arranged in the axial direction on both sides of the electric motor 150.
  • the rotor shaft 122 is rotated by the electric motor 150.
  • a gap 152 is formed between the rotor shaft 122 and the inner circumference of the bearing drive unit 140, so that the rotor shaft 122 and the bearing elements of the magnetic bearing 141, i.e., the radial bearings 142 and the axial bearings 144, do not touch during operation of the turbomolecular pump 100. Instead, the rotor 120 is held in a suspended state by the magnetic bearing 141 during operation of the turbomolecular pump 100.
  • the turbomolecular pump 100 has a position control (not shown).
  • the position control regulates currents in the magnetic coils of the radial bearings 142 and the axial bearings 144, thereby maintaining the spatial position of the rotor shaft 122 and the rotor 120 as a whole in a desired, predetermined position.
  • the magnetic bearing 141 is also called an active magnetic bearing because it includes coils of electromagnets and not permanent magnets.
  • the bearing drive unit 140 further includes emergency or safety bearings 154, which are designed as rolling bearings.
  • emergency or safety bearings 154 which are designed as rolling bearings.
  • the rotor shaft 122 comes into contact with the safety bearings 154.
  • the rotor shaft 122 can also come into contact with the safety bearings 154 if unexpected events occur during operation of the turbomolecular pump, i.e., for example, if the rotor 120 deviates excessively from its target position due to external influences, in which it is intended to be held by the magnetic bearing 141.
  • the turbomolecular pump 100 is characterized in that the outer projection or collar 148 of the bearing drive unit or magnetic bearing spindle 140 is arranged in the axial direction in a region of the electric motor 150 and, by means of the screws 149, forms a fastening connection with the inner projection 118 of the intermediate piece 114 and thus a fastening connection with the pump housing 110 in this axial region of the electric motor 150.
  • This fastening connection is thus accessible both from an upper axial end the bearing drive unit and a lower axial end of the bearing drive unit 140.
  • the fastening connection of the bearing drive unit 140 to the pump housing 110 is located in the axial direction in a central region of the bearing drive unit or magnetic bearing spindle 140 and not at one of its two axial ends.
  • This attachment in the central region of the bearing drive unit 140 allows a stiffer mechanical connection to be established between the bearing drive unit 140 and the pump housing 110 than if a corresponding attachment were arranged at one of the two axial ends of the bearing drive unit 140. This stiffer mechanical connection allows the vibration behavior of the turbomolecular pump 100 to be improved.
  • the outer projection or collar 148 is arranged on an outer edge of the bearing drive unit 140 adjacent to the electric motor 150.
  • the electric motor 150 is in direct thermal contact with the outer projection 148 of the bearing drive unit 140.
  • the bearing drive unit 140 heats up primarily in the area of the electric motor 150.
  • the heat generated by the electric motor 150 during operation of the turbomolecular pump 100 is dissipated directly and efficiently from the electric motor 150 to the pump housing 110 via the outer projection 148, which is directly adjacent to the electric motor 150, and via the fastening connection between the outer projection 148 of the bearing drive unit 140 and the inner projection 118 of the intermediate piece 114 or the pump housing 110.
  • the arrangement of the outer projection 148 of the bearing housing 146 in the central region of the bearing drive unit 140 and the direct proximity to the electric motor 150 thus improves the cooling of the electric motor 150 due to the improved heat dissipation during operation of the turbomolecular pump 100.
  • the intermediate piece 114 has a first cooling element in the form of a cooling channel 156 through which cooling water flows and can therefore also be referred to as water cooling 156. As in Fig. 1 As can be seen, the distance between the water cooling system 156 and the electric motor 150 is relatively small, which leads to efficient cooling of the electric motor 150. As a second cooling element, the intermediate piece 114 also has cooling fins 158, which further intensify the cooling of the electric motor 150.
  • the turbomolecular pump 100 also includes a control unit 160, which has electrical connections (not shown) to both the radial bearings 142 and the axial bearings 144, as well as to the electric motor 150. Since the fastening connection between the bearing drive unit 140 and the pump housing 110 in the form of the outer projection 148, the screws 149, and the inner projection 118 of the pump housing 110 is located in an axial center region of the bearing drive unit, a relatively large free space is available below the outer projection 148 and thus below the bearing drive unit 140 as a whole, in which a wiring of the bearing drive unit 140 for electrical connection to the control unit 160 can be arranged. Due to this free space, the wiring of the bearing drive unit 140 can be implemented efficiently without the risk of cables becoming trapped.
  • the turbomolecular pump 100 has a position sensor 170, which is designed as an eddy current sensor and monitors the axial position of the rotor 120 during operation of the turbomolecular pump 100.
  • the position sensor 170 can thus ensure that the rotor 120 is in a desired position in the axial direction and thus in a floating state during operation of the turbomolecular pump 100.
  • a lower cover 180 is first removed in order to fasten the bearing drive unit or magnetic bearing spindle 140 from below in the turbomolecular pump 100 when the turbomolecular pump 100 is as in Fig. 1 shown is arranged vertically.
  • the lower cover 180 is then connected to the lower part 116 of the pump housing 110.
  • the outer projection 148 of the bearing drive unit 140 and the inner projection 118 of the intermediate piece 114 can be interchanged in the axial direction, so that the outer projection 148 of the bearing drive unit 140 is located axially above the inner projection 118 of the intermediate piece 114 or of the pump housing 110.
  • the bearing drive unit 140 is then inserted into the turbomolecular pump 100 from above, i.e., from the side of the pump-active elements 126, 128.
  • the bearing drive unit 140 can be mounted together with the rotor 120 and balanced, for example, by laser balancing, in order to then insert the unit comprising the rotor 120 and the magnetic bearing spindle or bearing drive unit 140 from above into the pump housing 110. This simplifies the balancing of the turbomolecular pump 100 because the bearing drive unit or magnetic bearing spindle 140 and the rotor 120 are already balanced before they are inserted into the pump housing 110.
  • the outer projection 148 of the bearing housing 146 may further comprise receiving elements for the Holweck stator elements 134. This allows smaller tolerances between the Holweck stator elements 134 and the rotor 120, ie between the Holweck stator elements 134 and the Holweck rotor elements 128.
  • a fastening connection between the bearing drive unit 140 and the pump housing 110 can be made by pressing or shrinking instead of the connection by means of the screws 149.
  • the bearing housing can alternatively have an external thread that can be screwed into an internal thread of a portion of the intermediate piece 114 and thus of the pump housing 110.
  • the outer projection 148 of the bearing drive unit or magnetic bearing spindle 140 can be designed such that it replaces the intermediate piece 114 between the upper part 112 and the lower part 116 of the pump housing 110.

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Abstract

Eine Vakuumpumpe umfasst ein Pumpengehäuse, einen Rotor, der pumpaktive Elemente umfasst und eine Drehachse aufweist, die eine axiale Richtung definiert, und eine Lager-Antriebseinheit. Diese Lager-Antriebseinheit umfasst wiederum Lagerelemente eines Magnetlagers zur Lagerung des Rotors, einen Motor zum Antreiben des Rotors und ein Lagergehäuse, innerhalb dessen die Lagerelemente und der Rotor angeordnet sind. Das Lagergehäuse weist eine Befestigungsverbindung mit dem Pumpengehäuse auf, die in der axialen Richtung in einem Bereich des Motors angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe, bei der es sich insbesondere um eine Turbomolekularpumpe handelt und die ein Pumpengehäuse, einen Rotor mit pumpaktiven Elementen und eine Lager-Antriebseinheit umfasst, die Lagerelemente eines Magnetlagers zur Lagerung des Rotors und einen Motor zum Antreiben des Rotors enthält.
  • Solche Vakuumpumpen umfassen als Magnetlager häufig aktive Magnetlager, die den Rotor der Vakuumpumpe berührungslos lagern. Mittels eines solchen aktiven Magnetlagers wird der Rotor somit während des Betriebs der Vakuumpumpe zwischen Statorelementen schwebend in einer vorbestimmten räumlichen Lage gehalten.
  • Lagerelemente eines solchen Magnetlagers und ein Elektromotor zum Antreiben des Rotors werden häufig zusammen in einem gemeinsamen Lagergehäuse untergebracht, um eine sogenannte Spindel zur aktiven Magnetlagerung bzw. aktive Magnetlagerungsspindel zu bilden, die als Lager-Antriebseinheit in die Vakuumpumpe integriert werden kann. Diese Lager-Antriebseinheit kann zusammen mit dem Rotor ausgerichtet und ausgewuchtet werden, bevor diese gemeinsam in die Vakuumpumpe eingesetzt werden. Die Befestigung der Lager-Antriebseinheit erfolgt zur Stabilisierung meist an einem oberen oder unteren axialen Ende der Lager-Antriebseinheit bzw. Magnetlagerungsspindel und beispielsweise in einem Unterteil eines Pumpengehäuses einer Turbomolekularpumpe.
  • Die Installation der Lager-Antriebseinheit bzw. Magnetlagerungsspindel und des Rotors wird meistens von einer Oberseite bezogen auf das Unterteil des Pumpengehäuses aus durchgeführt. Bei einer solchen Installation ist das Verlegen der erforderlichen Kabel für die Lagerelemente des Magnetlagers und den Motor häufig aufwändig, da die erforderlichen Anschlüsse an der Lager-Antriebseinheit und dem Motor nach dem Einsetzen der Magnetlagerungsspindel häufig nicht besonders gut zugänglich sind. Es besteht das Risiko von Montagefehlern, beispielsweise mit eingeklemmten Kabeln.
  • Ferner ist ein thermischer Kontakt zwischen der Lager-Antriebseinheit und dem Pumpengehäuse unter Umständen unzureichend, wenn das Gehäuse der Lager-Antriebseinheit bzw. Magnetlagerungsspindel an seinem oberen bzw. unteren axialen Ende befestigt wird. Häufig ist der Motor zum Antreiben des Rotors in der Mitte der Lager-Antriebseinheit bzw. Magnetlagerungsspindel angeordnet und stellt dort die Hauptquelle für die thermische Erwärmung der Lager-Antriebseinheit dar. Bis zur Befestigung am oberen oder unteren axialen Ende der Lager-Antriebseinheit ist daher meist eine gewisse Distanz vorhanden, die das Abführen der Wärme vom Motor über die Befestigung der Lager-Antriebseinheit erschwert. Darüber hinaus kann die Befestigung der Lager-Antriebseinheit bzw. Magnetlagerungsspindel an ihrem oberen oder unteren axialen Ende zu gewissen Vibrationen innerhalb der Vakuumpumpe führen.
  • Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vakuumpumpe zu schaffen, bei der sich eine Lager-Antriebseinheit bzw. Magnetlagerungsspindel mit geringem Aufwand installieren lässt und bei der ferner die thermische Anbindung und das Vibrationsverhalten der Lager-Antriebseinheit verbessert sind.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Vakuumpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen angegeben.
  • Die Vakuumpumpe, die insbesondere eine Turbomolekularpumpe ist, umfasst ein Pumpengehäuse, einen Rotor, der pumpaktive Elemente umfasst und eine Drehachse aufweist, die eine axiale Richtung definiert, und eine Lager-Antriebseinheit. Diese Lager-Antriebseinheit umfasst Lagerelemente eines Magnetlagers zur Lagerung des Rotors, einen Motor zum Antreiben des Rotors und ein Lagergehäuse, innerhalb dessen die Lagerelemente und der Rotor angeordnet sind. Das Lagergehäuse weist eine Befestigungsverbindung mit dem Pumpengehäuse auf, die in der axialen Richtung in einem Bereich des Motors angeordnet ist.
  • Das Magnetlager kann ein aktives Magnetlager sein, d.h. ein Magnetlager mit einer solchen Positionsregelung des Rotors der Vakuumpumpe, dass sich der Rotor der Vakuumpumpe während deren Betrieb in einem Schwebezustand innerhalb des Magnetlagers befindet. In einem solchen Schwebezustand weist der Rotor der Vakuumpumpe folglich keinerlei Kontakt mit weiteren Elementen der Vakuumpumpe auf. Ein Kontakt mit Wälzlagern, die auch als Not- bzw. Fanglager bezeichnet werden, besteht nur bei unerwarteten Ereignissen, die vom Normalbetrieb der Vakuumpumpe abweichen und bei denen sich der Rotor von seiner Sollposition innerhalb des Magnetlagers entfernt. Außerdem steht der Rotor nach Abschalten der Vakuumpumpe mit den Not- bzw. Fanglagern in Kontakt.
  • Die Lager-Antriebseinheit kann auch als aktive Magnetlagerungsspindel bezeichnet werden, wenn das Magnetlager ein aktives Magnetlager ist. Innerhalb des Lagergehäuses der Magnetlagerungsspindel können sowohl die Lagerelemente des Magnetlagers als auch der Motor bzw. der Elektromotor zum Antreiben des Rotors angeordnet sein.
  • Die Anordnung der Befestigungsverbindung in axialer Richtung in einem Bereich des Motors kann derart ausgebildet sein, dass in der axialen Richtung eine zumindest teilweise Überlagerung des Motors und der Befestigungsverbindung vorhanden ist. Wenn die Befestigungsverbindung beispielsweise durch einen Bund oder einen Vorsprung an einer Außenseite des Lagergehäuses der Lager-Antriebseinheit gebildet ist, gibt es in axialer Richtung und in Umfangsrichtung einen bestimmten Flächenbereich, in welchem das Lagergehäuse einen Teil der Außenfläche des Motors abdeckt, wenn die Vakuumpumpe in radialer Richtung von außen betrachtet wird.
  • In axialer Richtung kann der Motor der Vakuumpumpe in einem Mittelbereich des Lagergehäuses angeordnet sein, d.h. mit einem jeweils etwa gleich großen Abstand bezogen auf axiale Enden des Lagergehäuses bzw. der Magnetlagerungsspindel. Daher kann die Befestigungsverbindung zwischen dem Lagergehäuse und dem Pumpengehäuse in axialer Richtung ebenfalls in einem solchen Mittelbereich der Lager-Antriebseinheit bzw. deren Lagergehäuse angeordnet sein und somit etwa gleich weit von den beiden axialen Enden des Lagergehäuses beabstandet sein. Mit anderen Worten ist der axiale Abstand der Befestigungsverbindung bezogen auf die Mitte des Lagergehäuses in axialer Richtung kleiner als ihr jeweiliger radialer Abstand zu den axialen Enden des Lagergehäuses. Die Differenz der jeweiligen Abstände zu den axialen Enden des Lagergehäuses kann somit kleiner sein als die jeweiligen Abstände der Befestigungsverbindung zu den axialen Enden des Lagergehäuses, d.h. kleiner als der kleinere der beiden axialen Abstände.
  • Die Vakuumpumpe zeichnet sich einerseits dadurch aus, dass sie einen geringen Abstand zwischen dem Motor und der Befestigungsverbindung des Lagergehäuses aufweist, da die Befestigungsverbindung in axialer Richtung etwa auf Höhe des Motors angeordnet ist. Dadurch kann die von dem Motor erzeugte Wärme während des Betriebs der Vakuumpumpe direkter auf das Pumpengehäuse übertragen werden als beispielsweise bei einer Befestigungsverbindung an einem der axialen Enden des Lagergehäuses. Durch die Befestigungsverbindung auf Höhe des Motors, beispielsweise in axialer Richtung in der Mitte des Lagergehäuses, erfolgt somit eine verbesserte Wärmeankopplung des Motors der Vakuumpumpe an das Pumpengehäuse.
  • Darüber hinaus besteht eine mechanisch steifere Verbindung der Lager-Antriebseinheit mit dem Pumpengehäuse, wenn die Befestigungsverbindung des Lagergehäuses mit dem Pumpengehäuse in axialer Richtung etwa auf Höhe des Motors angeordnet ist. Dadurch weist die Vakuumpumpe während ihres Betriebs ein verbessertes Vibrationsverhalten auf.
  • Zusätzlich kann die Lager-Antriebseinheit auf einfache Weise verkabelt werden, wenn sich die Befestigungsverbindung zwischen Lagergehäuse und Pumpengehäuse in axialer Richtung etwa auf Höhe des Motors befindet. Beispielsweise ist bei einer vertikalen Anordnung der Vakuumpumpe unterhalb der Lager-Antriebseinheit ein zugänglicher Raum vorhanden, wenn sich die Befestigungsverbindung in axialer Richtung etwa auf Höhe des Motors befindet.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann die Befestigungsverbindung des Lagergehäuses mit einem Abschnitt des Pumpengehäuses gebildet sein, der zumindest ein Kühlungselement aufweist. Da sich die Befestigungsverbindung zusätzlich in der axialen Richtung im Bereich des Motors befindet, kann bei dieser Ausführungsform die Wärme des Motors, die während des Betriebs der Vakuumpumpe entsteht, auf noch effizientere Weise abgeführt werden, da die Distanz zwischen dem Motor und dem Kühlungselement über die Befestigungsverbindung gering ist. Es besteht bei dieser Ausführungsform somit aufgrund der Anordnung der Befestigungsverbindung des Lagergehäuses eine direkte, kurze Verbindung zwischen dem Motor der Vakuumpumpe und dem Kühlungselement in einem Abschnitt des Pumpengehäuses sowohl in radialer als auch in axialer Richtung.
  • Das Kühlungselement kann als eine Wasserkühlung ausgebildet sein. Der Abschnitt des Pumpengehäuses, der eine solche Wasserkühlung als Kühlungselement aufweist, kann einen inneren Kanal bzw. Hohlraum aufweisen, durch den Kühlwasser fließt. Dadurch erfolgt die Kühlung des Pumpengehäuses auf effiziente Weise.
  • Alternativ oder zusätzlich kann der Abschnitt des Pumpengehäuses, mit dem die Befestigungsverbindung des Lagergehäuses gebildet ist, Kühlrippen aufweisen. Die Kühlrippen können folglich zusätzlich zur Wasserkühlung ein zweites Kühlungselement darstellen, um die Kühlung des Motors zu intensivieren.
  • Außerdem kann sich ein Abschnitt der Wasserkühlung, falls mindestens ein Kühlungselement als Wasserkühlung ausgebildet ist, durch die Lager-Antriebseinheit hindurch erstrecken. Ein Kanal bzw. Hohlraum zur Wasserkühlung erstreckt sich bei dieser Ausführungsform somit nicht nur durch den Abschnitt des Pumpengehäuses, in welchem die Befestigungsverbindung des Lagergehäuses der Lager-Antriebseinheit gebildet ist, sondern zusätzlich durch die Lager-Antriebseinheit bzw. deren Lagergehäuse hindurch. Bei einer solchen Ausführungsform ist der Abstand zwischen dem Motor und der Wasserkühlung weiter verringert, so dass eine noch effizientere Kühlung des Motors während des Betriebs der Vakuumpumpe erfolgen kann.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Lagergehäuse einen äußeren Vorsprung bzw. Bund aufweisen, der sich von einem äußeren Rand des Lagergehäuses in einer radialen Richtung rechtwinklig zu der axialen Richtung nach außen erstreckt. Das Pumpengehäuse kann dementsprechend einen inneren Vorsprung bzw. Bund aufweisen, der sich von einem inneren Rand des Pumpengehäuses in der radialen Richtung nach innen erstreckt. Die Befestigungsverbindung zwischen dem Lagergehäuse und dem Pumpengehäuse kann bei dieser Ausführungsform durch eine Verbindung des äußeren Vorsprungs des Lagergehäuses und des inneren Vorsprungs des Pumpengehäuses gebildet sein.
  • Die Befestigungsverbindung kann folglich mit geringem Aufwand zwischen den beiden Vorsprüngen des Lagergehäuses und des Pumpengehäuses hergestellt werden. Die beiden Vorsprünge können beispielsweise durch eine Schraubverbindung, z.B. eine Verbindung mittels Schrauben, die sich in axialer Richtung erstrecken, oder auf andere Weise, beispielsweise durch Kleben, miteinander verbunden werden.
  • Der innere Vorsprung des Pumpengehäuses kann ferner in axialer Richtung zwischen dem äußeren Vorsprung des Lagergehäuses und den pumpaktiven Elementen des Rotors angeordnet sein. Der äußere Vorsprung bzw. Bund des Lagergehäuses und die pumpaktiven Elemente des Rotors befinden sich bei dieser Ausführungsform folglich auf entgegengesetzten Seiten des inneren Vorsprungs bzw. Bundes des Pumpengehäuses.
  • Wenn die Vakuumpumpe in vertikaler Richtung angeordnet ist, d.h. wenn die Drehachse des Rotors in vertikaler Richtung verläuft, ist der äußere Vorsprung des Lagergehäuses der Lager-Antriebseinheit bzw. Magnetlagerungsspindel bei dieser Ausführungsform unterhalb des inneren Vorsprungs des Pumpengehäuses angeordnet. Der Einbau der Lager-Antriebseinheit bzw. Magnetlagerungsspindel kann bei einer solchen vertikal ausgerichteten Vakuumpumpe von deren Unterseite aus erfolgen, nachdem der Rotor der Vakuumpumpe bereits innerhalb des Pumpengehäuses installiert ist. Bei einer solchen Implementierung der Lager-Antriebseinheit kann deren Verkabelung, d.h. die Verkabelung des Motors und der Lagerelemente des Magnetlagers, mit verringertem Aufwand erfolgen. Ferner besteht ein verringertes Risiko, dass Kabel unbeabsichtigt eingeklemmt werden, da eine Verkabelung sozusagen von unten auf übersichtliche Weise möglich ist.
  • Wenn der äußere Vorsprung des Lagergehäuses bezogen auf den inneren Vorsprung des Pumpengehäuses auf der entgegengesetzten Seite zu den pumpaktiven Elementen des Rotors angeordnet ist, kann die Befestigungsverbindung eine Schraubverbindung umfassen, die sich durch den äußeren Vorsprung des Lagergehäuses hindurch in Richtung der pumpaktiven Elemente erstrecken kann. Bei dieser Schraubverbindung können sich Schrauben in axialer Richtung durch den äußeren Vorsprung des Lagergehäuses hindurch und mit ihrer jeweiligen Spitze in den inneren Vorsprung des Pumpengehäuses hinein erstrecken. Bei einer vertikalen Anordnung der Vakuumpumpe bzw. der Drehachse des Rotors kann eine solche Schraubverbindung sozusagen von unten mit geringem Aufwand hergestellt werden, da der äußere Vorsprung des Lagergehäuses von außen leicht zugänglich sein kann.
  • Umgekehrt kann der äußere Vorsprung des Lagergehäuses in axialer Richtung zwischen dem inneren Vorsprung des Pumpengehäuses und den pumpaktiven Elementen des Rotors angeordnet sein. Mit anderen Worten können bei dieser Ausführungsform der innere Vorsprung des Pumpengehäuses und die pumpaktiven Elemente des Rotors in axialer Richtung auf entgegengesetzten Seiten des äußeren Vorsprungs des Lagergehäuses angeordnet sein.
  • Wenn die Vakuumpumpe in vertikaler Richtung angeordnet ist, befindet sich der äußere Vorsprung des Lagergehäuses bei dieser Ausführungsform somit oberhalb des inneren Vorsprungs des Pumpengehäuses. Die Lager-Antriebseinheit bzw. Magnetlagerungsspindel wird in diesem Fall folglich von der Oberseite der vertikal ausgerichteten Vakuumpumpe aus in das Pumpengehäuse eingesetzt und zu diesem Zweck zuvor mit dem Rotor der Vakuumpumpe verbunden.
  • Die Lager-Antriebseinheit kann bei dieser Ausführungsform folglich zusammen mit dem Rotor montiert und beispielsweise durch Laserwuchten ausgewuchtet werden, um anschließend die Einheit aus Rotor und Magnetlagerungsspindel bzw. Lager-Antriebseinheit von oben in das Pumpengehäuse einzusetzen. Dadurch kann das Auswuchten der Vakuumpumpe vereinfacht werden, da die Lager-Antriebseinheit bzw. Magnetlagerungsspindel und der Rotor bereits vor deren Einsetzen in das Pumpengehäuse ausgewuchtet sind.
  • Ferner kann die Lager-Antriebseinheit bei dieser Ausführungsform Aufnahmeelemente zum Befestigen von Statorelementen einer oder mehrerer Pumpstufen der Vakuumpumpe aufweisen. Diese Aufnahmeelemente können beispielsweise für Holweckstatoren der Vakuumpumpe vorgesehen sein. Die Holweckstatoren können somit zunächst in die Lager-Antriebseinheit bzw. Magnetlagerungsspindel integriert bzw. mit dieser verbunden werden, bevor eine weitere Installation zusammen mit dem Rotor der Vakuumpumpe erfolgt. Dadurch können Toleranzen beim Installieren bzw. Befestigen der Elemente der Vakuumpumpe verringert werden. Rotorelemente einer Holweck-Pumpstufe der Vakuumpumpe können folglich genauer bezogen auf die Holweckstatoren ausgerichtet werden, da diese zunächst mit der Lager-Antriebseinheit bzw. Magnetlagerungsspindel verbunden und ausgerichtet werden können. Die Lager-Antriebseinheit dient mit anderen Worten als Bezugseinheit für die Installation der Holweckstatoren und der Holweck-Rotorelemente, wenn diese in der Vakuumpumpe implementiert bzw. in diese eingebaut werden.
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform, bei welcher der äußere Vorsprung des Lagergehäuses in axialer Richtung zwischen dem inneren Vorsprung des Pumpengehäuses und den pumpaktiven Elementen des Rotors angeordnet ist, d.h. beispielsweise bei vertikaler Ausrichtung der Drehachse des Rotors in axialer Richtung oberhalb des Vorsprungs des Pumpengehäuses, kann die Befestigungsverbindung eine Schraubverbindung umfassen, die sich durch den inneren Vorsprung des Pumpengehäuses hindurch in Richtung der pumpaktiven Elemente erstreckt. Bei dieser Schraubverbindung können sich Schrauben in axialer Richtung durch den inneren Vorsprung des Pumpengehäuses hindurch und mit ihrer jeweiligen Spitze in den äußeren Vorsprung des Lagergehäuses hinein erstrecken.
  • Bei dieser und bei der vorstehenden beschriebenen Ausführungsform, bei der ebenfalls eine Schraubverbindung vorgesehen ist, bezieht sich die Erstreckungsrichtung der Schraubverbindung auf die Bewegungsrichtung jeweiliger Schrauben, wenn diese zum Herstellen der Schraubverbindung in die Vorsprünge der jeweiligen Gehäuse eingeschraubt werden. Mit anderen Worten verläuft die jeweilige Erstreckungsrichtung der Schraubverbindung von einem jeweiligen Kopf bis zu einer jeweiligen Spitze der Schrauben.
  • Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Befestigungsverbindung durch Einpressen oder Einschrumpfen des Lagergehäuses in einen Abschnitt des Pumpengehäuses gebildet sein. Bei dieser Ausführungsform sind folglich nicht notwendigerweise Vorsprünge des Lagergehäuses oder des Pumpengehäuses erforderlich, obwohl das Einpressen oder Einschrumpfen auch zwischen den vorstehend beschriebenen Vorsprüngen anstelle von Schraubverbindungen erfolgen kann. Durch das Einpressen oder Einschrumpfen kann außerdem ein großflächiger Kontakt zwischen dem Lagergehäuse und dem Pumpengehäuse hergestellt werden, wodurch die wärmetechnische Ankopplung des Lagergehäuses und somit des Motors an das Pumpengehäuse verbessert werden kann.
  • Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform kann das Lagergehäuse ferner ein Außengewinde umfassen, das ausgebildet sein kann, in ein Innengewinde eines Abschnitts des Pumpengehäuses eingeschraubt zu werden. Bei dieser Ausführungsform sind ebenfalls keine Vorsprünge des Lagergehäuses oder des Pumpengehäuses erforderlich, obwohl das Außengewinde und das Innengewinde auch an den vorstehend beschriebenen Vorsprüngen gebildet sein können, um Schrauben zu ersetzen. Bei dieser Ausführungsform kann ferner die axiale Position des gesamten Magnetlagers, d.h. der Lagerelemente innerhalb der Lager-Antriebseinheit, mittels des Außengewindes am Lagergehäuse der Lager-Antriebseinheit verstellt bzw. in axialer Richtung verschoben werden, wenn das Außengewinde des Lagergehäuses im Innengewinde des Pumpengehäuses gedreht wird. Dadurch kann die axiale Position des Rotors bzw. von dessen Rotorscheiben innerhalb der Statorelemente von turbomolekularen Pumpstufen eingestellt und optimiert werden, da die räumliche Lage des Rotors im Betrieb der Vakuumpumpe bzw. Turbomolekularpumpe mittels des Magnetlagers festgelegt wird. Die Verbindung zwischen Innen- und Außengewinde kann ferner ebenfalls einen großflächigen Kontakt zwischen dem Lagergehäuse und dem Pumpengehäuse ermöglichen, über den die Wärme des Motors der Vakuumpumpe auf effiziente Weise abgeführt werden kann, wenn sich die Vakuumpumpe im Betrieb befindet.
  • Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform kann das Lagergehäuse wiederum einen äußeren Vorsprung aufweisen, der sich von einem äußeren Rand des Lagergehäuses in einer radialen Richtung rechtwinklig zu der axialen Richtung erstreckt, und dieser äußere Vorsprung kann einen Abschnitt des Pumpengehäuses bilden. Bei dieser Ausführungsform bildet somit der Vorsprung bzw. Bund des Lagergehäuses ein Zwischenstück des Pumpengehäuses zwischen dessen Oberteil, in welchem sich die pumpaktiven Elemente des Rotors befinden können, und dessen Unterteil des Gehäuses, in dem sich üblicherweise Steuerungs- und Anschlusselemente der Vakuumpumpe befinden. Eine solche Ausführungsform gestattet einen kompakten Aufbau der Vakuumpumpe.
  • Innerhalb der Lager-Antriebseinheit kann der Motor ferner in der axialen Richtung zwischen den Lagerelementen des Magnetlagers angeordnet sein. Der Motor kann sich bei dieser Ausführungsform in axialer Richtung zwischen Lagerelementen zur radialen Lagerung des Rotors befinden, die somit in axialer Richtung auf beiden Seiten des Motors angeordnet sind. Durch die Verteilung der radialen Lagerelemente des Magnetlagers auf beide Seiten des Motors kann das Schwingungsverhalten der Vakuumpumpe verbessert werden. Die Lager-Antriebseinheit kann ferner axiale Lagerelemente bzw. Lagerelemente zur axialen Lagerung des Rotors umfassen, die beispielsweise in axialer Richtung außerhalb der radialen Lagerelemente und in einem Bereich eines axialen Endes oder beider axialen Enden der Lager-Antriebseinheit angeordnet sind.
  • Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand einer vorteilhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur beschrieben. Es zeigt schematisch:
    • Fig. 1
    eine Vakuumpumpe mit einer erfindungsgemäßen Lager-Antriebseinheit.
  • In Fig. 1 ist schematisch eine Vakuumpumpe 100 dargestellt, die als Turbomolekularpumpe ausgebildet ist. Die Turbomolekularpumpe 100 umfasst turbomolekulare Pumpstufen 102 und Holweck-Pumpstufen 104.
  • Ferner weist die Turbomolekularpumpe 100 ein Pumpengehäuse 110 auf, das ein Oberteil 112, ein Zwischenstück 114 und ein Unterteil 116 umfasst. Das Pumpengehäuse 110 weist einen inneren Vorsprung 118 auf, der sich von einem inneren Rand des Pumpengehäuses 110 erstreckt und dessen Funktion nachstehend näher beschrieben ist.
  • Die Turbomolekularpumpe 100 umfasst außerdem einen Rotor 120, der eine Rotorwelle 122 aufweist. Die Rotorwelle 122 weist wiederum eine Drehachse 124 auf, um die sich der Rotor 120 im Betrieb der Turbomolekularpumpe 100 dreht und die innerhalb der Turbomolekularpumpe 100 eine axiale Richtung definiert, beispielsweise in Fig. 1 von unten nach oben. Der innere Vorsprung 118 des Pumpengehäuses erstreckt sich folglich in einer radialen Richtung nach innen, die rechtwinklig zu der axialen Richtung verläuft, und zusätzlich umlaufend um die Drehachse 124 des Rotors 120 herum.
  • Der Rotor 120 umfasst ferner Rotorscheiben 126, die den turbomolekularen Pumpstufen 102 zugeordnet sind, und Holweck-Rotorelemente 128, die in Fig. 1 unterhalb der Rotorscheiben 126 angeordnet sind und sich in axialer Richtung abwärts erstrecken.
  • Zwischen den Rotorscheiben 126 sind im Bereich der turbomolekularen Pumpstufen 102 jeweils Statorscheiben 132 angeordnet. Auf ähnliche Weise umfassen die Holweck-Pumpstufen 104 helikale Holweck-Statorelemente 134, die jeweils einem der Holweck-Rotorelemente 128 zugeordnet sind.
  • Die Turbomolekularpumpe 100 umfasst ferner eine Lager-Antriebseinheit bzw. Magnetlagerungsspindel 140, die Lagerelemente eines Magnetlagers 141 zur Lagerung des Rotors 120 umfasst. Die Lagerelemente des Magnetlagers 141 umfassen Radiallager 142, die für eine Lagerung bzw. Ausrichtung der Rotorwelle 122 in radialer Richtung rechtwinklig zur Drehachse 124 bzw. zur axialen Richtung vorgesehen sind. Ferner umfassen die Lagerelemente des Magnetlagers 141 Axiallager 144, die zur Ausrichtung bzw. Lagerung der Rotorwelle 122 in axialer Richtung parallel zur Drehachse 124 vorgesehen sind. Die Radiallager 142 und die Axiallager 144 des Magnetlagers 141 sind innerhalb eines Lagergehäuses 146 der Lager-Antriebseinheit 140 angeordnet. Das Lagergehäuse 146 weist an seinem äußeren Rand einen um die Drehachse 124 herum umlaufenden, äußeren Vorsprung bzw. Bund 148 auf, der für eine Befestigung der Lager-Antriebseinheit 140 an dem inneren Vorsprung 118 des Zwischenstücks 114 mittels Schrauben 149 vorgesehen ist.
  • Die Lager-Antriebseinheit 140 umfasst ferner einen Elektromotor 150, der zum Antreiben des Rotors 120 vorgesehen ist. Innerhalb der Lager-Antriebseinheit 140 ist der Elektromotor 150 in der axialen Richtung zwischen den Radiallagern 142 des Magnetlagers 141 angeordnet. Die Radiallager 142 sind ungefähr baugleich und umgekehrt betrachtet in axialer Richtung auf beiden Seiten des Elektromotors 150 angeordnet. Durch die Verteilung der Radiallager 142 des Magnetlagers 141 auf beide Seiten des Elektromotors 150 wird das Schwingungsverhalten der Turbomolekularpumpe 100 verbessert.
  • Die Rotorwelle 122 wird mittels des Elektromotors 150 in Drehung versetzt. Zwischen der Rotorwelle 122 und dem inneren Umfang der Lager-Antriebseinheit 140 ist ein Spalt 152 ausgebildet, so dass sich die Rotorwelle 122 und die Lagerelemente des Magnetlagers 141, d.h. die Radiallager 142 und die Axiallager 144, im Betrieb der Turbomolekularpumpe 100 nicht berühren. Stattdessen wird der Rotor 120 während des Betriebs der Turbomolekularpumpe 100 mittels des Magnetlagers 141 in einem schwebenden Zustand gehalten. Zu diesem Zweck weist die Turbomolekularpumpe 100 eine nicht dargestellte Positionsregelung auf. Die Positionsregelung regelt Ströme in Magnetspulen der Radiallager 142 und der Axiallager 144, um dadurch die räumliche Lage der Rotorwelle 122 und des Rotors 120 insgesamt in einer gewünschten, vorbestimmten Position zu halten. Das Magnetlager 141 wird auch als aktives Magnetlager bezeichnet, da es Spulen von Elektromagneten und keine Permanentmagnete umfasst.
  • Die Lager-Antriebseinheit 140 weist ferner Not- bzw. Fanglager 154 auf, die als Wälzlager ausgebildet sind. Nach dem Abschalten der Turbomolekularpumpe 100 gelangt die Rotorwelle 122 in Kontakt mit den Fanglagern 154. Außerdem kann die Rotorwelle 122 auch bei Auftreten von unerwarteten Ereignissen während des Betriebs der Turbomolekularpumpe mit den Fanglagern 154 in Kontakt gelangen, d.h. beispielsweise dann, wenn der Rotor 120 aufgrund von äußeren Einflüssen zu stark von seiner Sollposition abweicht, in der er mittels des Magnetlagers 141 gehalten werden soll.
  • Die Turbomolekularpumpe 100 zeichnet sich dadurch aus, dass der äußere Vorsprung bzw. Bund 148 der Lager-Antriebseinheit bzw. Magnetlagerungsspindel 140 in axialer Richtung in einem Bereich des Elektromotors 150 angeordnet ist und mittels der Schrauben 149 in diesem axialen Bereich des Elektromotors 150 eine Befestigungsverbindung mit dem inneren Vorsprung 118 des Zwischenstücks 114 und damit eine Befestigungsverbindung mit dem Pumpengehäuse 110 bildet. Diese Befestigungsverbindung ist somit sowohl von einem oberen axialen Ende der Lager-Antriebseinheit als auch von einem unteren axialen Ende der Lager-Antriebseinheit 140 in etwa gleich weit beabstandet. Mit anderen Worten befindet sich die Befestigungsverbindung der Lager-Antriebseinheit 140 mit dem Pumpengehäuse 110 in axialer Richtung in einem Mittelbereich der Lager-Antriebseinheit bzw. Magnetlagerungsspindel 140 und nicht an einem ihrer beiden axialen Enden.
  • Durch diese Befestigung im Mittelbereich der Lager-Antriebseinheit 140 kann eine steifere mechanische Verbindung zwischen der Lager-Antriebseinheit 140 und dem Pumpengehäuse 110 als dann hergestellt werden, wenn eine entsprechende Befestigung an einem der beiden axialen Enden der Lager-Antriebseinheit 140 angeordnet wäre. Durch diese steifere mechanische Verbindung lässt sich das Schwingungsverhalten der Turbomolekularpumpe 100 verbessern.
  • Wie man in Fig. 1 erkennen kann, ist der äußere Vorsprung bzw. Bund 148 an einem äußeren Rand der Lager-Antriebseinheit 140 benachbart zu dem Elektromotor 150 angeordnet. Dadurch steht der Elektromotor 150 mit dem äußeren Vorsprung 148 der Lager-Antriebseinheit 140 in einem direkten thermischen Kontakt. Während des Betriebs der Turbomolekularpumpe 100 erwärmt sich die Lager-Antriebseinheit 140 hauptsächlich in dem Bereich des Elektromotors 150. Die Wärme, die der Elektromotor 150 während des Betriebs der Turbomolekularpumpe 100 erzeugt, wird über den äußeren Vorsprung 148, welcher dem Elektromotor 150 direkt benachbart ist, und über die Befestigungsverbindung zwischen dem äußeren Vorsprung 148 der Lager-Antriebseinheit 140 und dem inneren Vorsprung 118 des Zwischenstücks 114 bzw. des Pumpengehäuses 110 auf direkte und effiziente Weise von dem Elektromotor 150 auf das Pumpengehäuse 110 abgeführt. Die Anordnung des äußeren Vorsprungs 148 des Lagergehäuses 146 im Mittelbereich der Lager-Antriebseinheit 140 und die direkte Nähe zum Elektromotor 150 verbessern somit die Kühlung des Elektromotors 150 aufgrund der verbesserten Wärmeabfuhr während des Betriebs der Turbomolekularpumpe 100.
  • Um die Kühlung des Elektromotors 150 während des Betriebs der Turbomolekularpumpe 100 weiter zu verbessern, weist das Zwischenstück 114 ein erstes Kühlungselement in der Form eines Kühlkanals 156 auf, der von Kühlwasser durchströmt wird und daher auch als Wasserkühlung 156 bezeichnet werden kann. Wie in Fig. 1 zu erkennen ist, ist der Abstand zwischen der Wasserkühlung 156 und dem Elektromotor 150 relativ gering, was zu einer effizienten Kühlung des Elektromotors 150 führt. Als zweites Kühlungselement weist das Zwischenstück 114 darüber hinaus Kühlrippen 158 auf, durch welche die Kühlung des Elektromotors 150 zusätzlich intensiviert wird.
  • Die Turbomolekularpumpe 100 umfasst außerdem eine Steuerungseinheit 160, die nicht dargestellte elektrische Verbindungen sowohl mit den Radiallagern 142 und den Axiallagern 144 als auch mit dem Elektromotor 150 aufweist. Da sich die Befestigungsverbindung zwischen der Lager-Antriebseinheit 140 und dem Pumpengehäuse 110 in Form des äußeren Vorsprungs 148, der Schrauben 149 und des inneren Vorsprungs 118 des Pumpengehäuses 110 in einem axialen Mittelbereich der Lager-Antriebseinheit befindet, ist unterhalb des äußeren Vorsprungs 148 und damit insgesamt unterhalb der Lager-Antriebseinheit 140 ein relativ großer Freiraum vorhanden, in welchem eine Verkabelung der Lager-Antriebseinheit 140 zur elektrischen Verbindung mit der Steuerungseinheit 160 angeordnet werden kann. Die Verkabelung der Lager-Antriebseinheit 140 kann aufgrund dieses Freiraums auf effiziente Weise implementiert werden, ohne dass das Risiko besteht, dass Kabel eingeklemmt werden.
  • Ferner weist die Turbomolekularpumpe 100 einen Positionssensor 170 auf, mit dem die axiale Position des Rotors 120 während des Betriebs der Turbomolekularpumpe 100 überwacht wird und der als Wirbelstromsensor ausgebildet ist. Mittels des Positionssensors 170 kann somit sichergestellt werden, dass sich der Rotor 120 während des Betriebs der Turbomolekularpumpe 100 in axialer Richtung in einer gewünschten Position und somit in einem Schwebezustand befindet.
  • Bei der Montage der Turbomolekularpumpe 100 ist eine untere Abdeckung 180 zunächst entfernt, um die Lager-Antriebseinheit bzw. Magnetlagerungsspindel 140 von unten in der Turbomolekularpumpe 100 zu befestigen, wenn die Turbomolekularpumpe 100 wie in Fig. 1 dargestellt vertikal angeordnet ist. Anschließend wird die untere Abdeckung 180 mit dem Unterteil 116 des Pumpengehäuses 110 verbunden.
  • Bei einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform der Turbomolekularpumpe können der äußere Vorsprung 148 der Lager-Antriebseinheit 140 und der innere Vorsprung 118 des Zwischenstücks 114 in axialer Richtung vertauscht sein, so dass sich der äußere Vorsprung 148 der Lager-Antriebseinheit 140 in axialer Richtung oberhalb des inneren Vorsprungs 118 des Zwischenstücks 114 bzw. des Pumpengehäuses 110 befindet. Bei dieser alternativen Ausführungsform wird die Lager-Antriebseinheit 140 dann jedoch von oben, d.h. von der Seite der pumpaktiven Elemente 126, 128, in die Turbomolekularpumpe 100 eingesetzt.
  • Die Lager-Antriebseinheit 140 kann bei dieser Ausführungsform zusammen mit dem Rotor 120 montiert und beispielsweise durch Laserwuchten ausgewuchtet werden, um anschließend die Einheit aus Rotor 120 und Magnetlagerungsspindel bzw. Lager-Antriebseinheit 140 von oben in das Pumpengehäuse 110 einzusetzen. Dadurch kann das Auswuchten der Turbomolekularpumpe 100 vereinfacht werden, da die Lager-Antriebseinheit bzw. Magnetlagerungsspindel 140 und der Rotor 120 bereits vor deren Einsetzen in das Pumpengehäuse 110 ausgewuchtet sind.
  • Bei dieser Ausführungsform kann der äußere Vorsprung 148 des Lagergehäuses 146 ferner Aufnahmeelemente für die Holweck-Statorelemente 134 aufweisen. Dadurch können geringere Toleranzen zwischen den Holweck-Statorelementen 134 und dem Rotor 120 auftreten, d.h. zwischen den Holweck-Statorelementen 134 und den Holweck-Rotorelementen 128.
  • Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform, die ebenfalls nicht dargestellt ist, kann eine Befestigungsverbindung zwischen der Lager-Antriebseinheit 140 und dem Pumpengehäuse 110 anstelle der Verbindung mittels der Schrauben 149 durch Einpressen oder Einschrumpfen erfolgen. Ferner kann das Lagergehäuse alternativ ein Außengewinde aufweisen, das in ein Innengewinde eines Abschnitts des Zwischenstücks 114 und somit des Pumpengehäuses 110 eingeschraubt werden kann. Darüber hinaus kann der äußere Vorsprung 148 der Lager-Antriebseinheit bzw. Magnetlagerungsspindel 140 derart ausgestaltet sein, dass er das Zwischenstück 114 zwischen dem Oberteil 112 und dem Unterteil 116 des Pumpengehäuses 110 ersetzt.
    • Bezugszeichenliste
    • 100
    Vakuumpumpe bzw. Turbomolekularpumpe
    102
    turbomolekulare Pumpstufen
    104
    Holweck-Pumpstufen
    110
    Pumpengehäuse
    112
    Oberteil des Pumpengehäuses
    114
    Zwischenstück des Pumpengehäuses
    116
    Unterteil des Pumpengehäuses
    118
    innerer Vorsprung des Zwischenstücks
    120
    Rotor
    122
    Rotorwelle
    124
    Drehachse
    126
    Rotorscheibe
    128
    Holweck-Rotorelement
    132
    Statorscheibe
    134
    Holweck-Statorelement
    140
    Lager-Antriebseinheit bzw. Magnetlagerungsspindel
    141
    aktives Magnetlager
    142
    Radiallager
    144
    Axiallager
    146
    Lagergehäuse
    148
    äußerer Vorsprung des Lagergehäuses
    149
    Schrauben
    150
    Elektromotor
    152
    Spalt zwischen Rotorwelle und Magnetlager
    154
    Not- bzw. Fanglager
    156
    Wasserkühlung
    158
    Kühlrippen
    160
    Steuerungseinheit
    170
    Positionssensor
    180
    untere Abdeckung

Claims (15)

  1. Vakuumpumpe (100), insbesondere Turbomolekularpumpe, umfassend:
    ein Pumpengehäuse (110),
    einen Rotor (120), der pumpaktive Elemente (126, 128) umfasst und eine Drehachse (124) aufweist, die eine axiale Richtung definiert,
    eine Lager-Antriebseinheit (140), die umfasst:
    Lagerelemente (142, 144) eines Magnetlagers (141) zur Lagerung des Rotors (120),
    einen Motor (150) zum Antreiben des Rotors (120),
    ein Lagergehäuse (146), innerhalb dessen die Lagerelemente (142, 144) und der Rotor (120) angeordnet sind,
    wobei das Lagergehäuse (146) eine Befestigungsverbindung (118, 148, 149) mit dem Pumpengehäuse (110) aufweist, die in der axialen Richtung in einem Bereich des Motors (150) angeordnet ist.
  2. Vakuumpumpe (100) nach Anspruch 1, wobei
    wobei die Befestigungsverbindung (118, 148, 149) des Lagergehäuses (146) mit einem Abschnitt des Pumpengehäuses (110) gebildet ist, der zumindest ein Kühlungselement (156, 158) aufweist.
  3. Vakuumpumpe (100) nach Anspruch 2, wobei
    wobei das Kühlungselement (156, 158) als Wasserkühlung (156) ausgebildet ist.
  4. Vakuumpumpe (100) nach Anspruch 3, wobei
    wobei sich ein Abschnitt der Wasserkühlung (156) durch die Lager-Antriebseinheit (140) erstreckt.
  5. Vakuumpumpe (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei
    der Abschnitt des Pumpengehäuses (110), mit dem die Befestigungsverbindung (118, 148, 149) des Lagergehäuses (146) gebildet ist, Kühlrippen (158) aufweist.
  6. Vakuumpumpe (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei
    das Lagergehäuse (146) einen äußeren Vorsprung (148) aufweist, der sich von einem äußeren Rand des Lagergehäuses (146) in einer radialen Richtung rechtwinklig zu der axialen Richtung nach außen erstreckt,
    das Pumpengehäuse (110) einen inneren Vorsprung (118) aufweist, der sich von einem inneren Rand des Pumpengehäuses (110) in der radialen Richtung nach innen erstreckt, und
    die Befestigungsverbindung (118, 148, 149) zwischen dem Lagergehäuse (146) und dem Pumpengehäuse (110) durch eine Verbindung des äußeren Vorsprungs (148) des Lagergehäuses (146) und des inneren Vorsprungs (118) des Pumpengehäuses (110) gebildet ist.
  7. Vakuumpumpe (100) nach Anspruch 6, wobei
    der innere Vorsprung (118) des Pumpengehäuses (110) in axialer Richtung zwischen dem äußeren Vorsprung (148) des Lagergehäuses (146) und den pumpaktiven Elementen (126, 128) des Rotors (120) angeordnet ist.
  8. Vakuumpumpe (100) nach Anspruch 6, wobei
    der äußere Vorsprung (148) des Lagergehäuses (146) in axialer Richtung zwischen dem inneren Vorsprung (118) des Pumpengehäuses (110) und den pumpaktiven Elementen (126, 128) des Rotors (120) angeordnet ist.
  9. Vakuumpumpe (100) nach Anspruch 8, wobei
    die Lager-Antriebseinheit (140) Aufnahmeelemente zum Befestigen von Statorelementen (134) einer oder mehrerer Pumpstufen (104) der Vakuumpumpe (100) aufweist.
  10. Vakuumpumpe (100) nach Anspruch 7, wobei
    die Befestigungsverbindung (118, 148, 149) eine Schraubverbindung (149) umfasst, die sich durch den äußeren Vorsprung (148) des Lagergehäuses (146) hindurch in Richtung der pumpaktiven Elemente (126, 128) erstreckt.
  11. Vakuumpumpe (100) nach Anspruch 8 oder 9, wobei
    die Befestigungsverbindung (118, 148, 149) eine Schraubverbindung umfasst, die sich durch den inneren Vorsprung (118) des Pumpengehäuses (110) hindurch in Richtung der pumpaktiven Elemente (126, 128) erstreckt.
  12. Vakuumpumpe (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei
    die Befestigungsverbindung (118, 148, 149) durch Einpressen oder Einschrumpfen des Lagergehäuses (146) in einen Abschnitt des Pumpengehäuses (110) gebildet ist.
  13. Vakuumpumpe (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei
    das Lagergehäuse (146) ein Außengewinde aufweist, das ausgebildet ist, in ein Innengewinde eines Abschnitts des Pumpengehäuses (110) eingeschraubt zu werden.
  14. Vakuumpumpe (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei
    das Lagergehäuse (146) einen äußeren Vorsprung (148) aufweist, der sich von einem äußeren Rand des Lagergehäuses (146) in einer radialen Richtung rechtwinklig zu der axialen Richtung erstreckt, und
    der äußere Vorsprung (148) des Lagergehäuses (146) einen Abschnitt des Pumpengehäuses (110) bildet.
  15. Vakuumpumpe (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei
    der Motor (150) in der axialen Richtung zwischen den Lagerelementen (142, 144) des Magnetlagers (141) angeordnet ist.
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JPH0612794U (ja) * 1992-07-13 1994-02-18 株式会社大阪真空機器製作所 複合型真空ポンプの加熱装置
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