JP4518391B2 - 二軸式真空ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、２本の軸を有する二軸式真空ポンプに関する。

典型的な二軸式真空ポンプは回転ピストンポンプ（Ｗａｅｌｚｋｏｌｂｅｎｐｕｍｐｅ）であり、ルーツポンプとも呼ばれている。回転ピストンポンプの２本の軸は各１つの回転ピストンを有しており、これらの回転ピストンは互いに無接触式で回転する。両軸の内の一方は、電気的な駆動モータによって駆動されるのに対して、他方の軸は伝動装置によって、前記の一方の駆動軸と同期化されている。ポンプ運転中、回転ピストンは気体圧縮によって著しく加熱される。

駆動モータとしては、単純な制御調整性に基づいて、実地ではもっぱら非同期モータが使用される。駆動軸に座着された非同期モータのモータロータは、いわゆるかご形回転子として形成されている。かご形回転子として形成されたモータロータは、比較的大きな質量及び軸方向構成長さを有している。このことから必然的に生じる大きなアンバランス力及びこのアンバランス力から生じる振動に基づいて、駆動軸は駆動モータの領域において、少なくとも１つの支持軸受けによって支持されねばならない。単数若しくは複数の支持軸受けの冷却及び潤滑は、当該支持軸受けを特に気密にシールされた真空ポンプの領域内に配置することに基づいて困難であり、大きな手間をかけなければ実現不可能である。

請求項１の上位概念が出発する従来技術の記載されたドイツ連邦共和国特許出願公開第３８２８６０８号明細書に基づいて、同期モータによって駆動される真空回転ピストンポンプが公知である。モータロータの具体的な構成は記載されていない。同期モータは、真空ポンプには原則として不適切である。それというのも、モータロータが熱を発生する滑り接触を介して他励されるからである。永続的に励起される同期モータのロータは、一定のロータ励起に基づいて回転数にわたって一定のトルクを供給し、比較的高い回転数においてポンプロータの過熱の脅威となるので不適切である。従って、実地においては、真空ポンプを駆動するために同期モータは使用されない。

本発明の課題は、改良された駆動装置を備えた２軸式真空ポンプを提供することである。

この課題は、本発明に基づき請求項１の特徴部に記載の構成によって解決される。

本発明では、駆動モータは同期モータであり、ロータは少なくとも１つの永久磁石によって永続的に励起されるように形成されている。永続的に励起される同期モータのロータは、一定の強い磁界及び小さな損失出力に基づいて、質量が小さく且つ構成長さが小さい。これにより、場合によっては駆動軸を付加的に支持するための全ての軸用支持軸受けを省くことができるので、これらの支持軸受けの冷却及び潤滑に関連する問題も懸念する必要がない。

永続的に励起されるロータにおける比較的小さな損失出力に基づいて、ロータの過熱及びこれに関連した問題が減少されている。

更に、規定されたモータ定格回転数の上位に位置するリミッタ範囲内で、モータ出力を規定された最大モータ出力に制限する、同期モータ出力リミッタが設けられている。この出力リミッタは、定格回転数の上位の回転数において、駆動出力を一定の値に制限する。このことは、定格回転数の上位の軸回転数において、トルクが低下されていることによって行われる。

モータ出力は、
Ｐ_Ｍ＝Ｍ_Ｍ×ω
から得られ、この場合、ω＝２π・ｎ、Ｐ_Ｍはモータ出力、Ｍ_Ｍは回転数ｎの場合のモータトルク及びｎはモータ回転数である。

リミッタ範囲内でのトルク低下により、ポンプは最高８０００ｒｐｍの高回転数においても作動可能であるが、ポンプ出力は、一定の最大値に制限されているということが保証される。回転ピストンの熱を導出するための熱導出手段は、小さな気圧及び構造に基づいて、非常に限定されている。同時に回転数を制限すること無く、モータ出力延いてはポンプ出力を制限することによって、真空ポンプ、特に回転ピストンの過熱が確実に防止されると同時に、大きな気体体積流量は可能なままである。同期モータはリミッタ範囲内、即ちいわゆる弱め界磁範囲内で運転される。永久磁石式のモータロータの磁束は一定なので、モータトルクの変更はステータ磁界の適当な制御によってのみ行うことが可能である。

真空ポンプにおいて永続的に励起されるモータロータは、従来は実地では使用されなかった。なぜならば、回転数域全体にわたって原則として一定のトルクに基づいて、高回転数では、回転数と一緒に増大する圧縮熱によるロータの過熱の危険が生じたからである。これらの欠点により、従来は、真空ポンプを駆動するために永続的に励起される同期モータを使用することは、間違い若しくは不可能であると思われていた。弱め界磁運転によるリミッタ範囲内でのモータ出力の制限に基づいて、比較的大きな回転数での圧縮に起因するモータロータの加熱は一定の値に制限される。これにより初めて、真空ポンプを駆動するために永続的に励起される同期モータを使用することが可能且つ合理的になり、この場合、リミッタ範囲に到達するまでは、モータの最大トルクが利用されてよい。

有利な構成では、出力リミッタはリミッタ範囲内で電気的なステータ磁界とモータ磁界との間の位相角度を９０度とは異なる角度に調整する。電気的なステータ磁界の位相位置はロータ磁界に対して、トルクが適宜低下されているように調整される。

択一的又は補足的に、出力リミッタはリミッタ範囲内でステータ電流を減少させる。これにより、ステータ電流に比例するトルクＭ_Ｍも低下される。

別の有利な構成では、出力リミッタはリミッタ範囲内で位相角度若しくはステータ電流を回転数に関連して調整する。定格回転数と最大回転数との間のリミッタ範囲で回転数が増大するにつれて、位相角度若しくはステータ電流は、トルクが回転数の増大に伴って低下し、これにより、モータ出力が定格回転数の上位で常にほぼ一定であるように変化される。これにより、いかなる回転数でもモータの許容最高出力が供与されるが、この許容最高出力を超過することはない。真空ポンプは過熱防止されている。

更に別の有利な構成では、モータロータを有する軸は、モータ側の端部を片持ち式で且つ支持軸受け無しで支承されている。当該の軸は、専らポンプロータの両長手方向端部に配置された２つの主要軸受けによって支承される。モータ用支持軸受けの冷却及び潤滑に関連した構造は省かれている。

有利には、モータロータは、モータロータボディの外側に配置された複数の永久磁石を有している。また、１つ又は複数の永久磁石が、モータロータボディの対応する切欠きに配置されていてもよい。

有利には、モータロータは特にモータロータ材料にとって有害な気体による運転に関して、非磁性材料から成るロータカプセルを有しており、このロータカプセルは、モータロータボディ及び永久磁石の外側を取り囲んでいる。これにより、モータロータボディの外側に配置された永久磁石が位置固定されて、場合によっては浸食性の気体及び液体延いては腐食から保護される。ロータカプセルは、非磁性金属又はプラスチックから成っていてよい。

更に別の有利な構成では、ステータ側に非磁性材料から成るギャップポットが設けられており、このギャップポットは、ロータをステータに対して気密に閉鎖している。ギャップポットは、非磁性金属又はプラスチックから成っている。このギャップポットによって、ポンプ領域が周辺環境に対して気密に閉鎖される。この場合、モータロータはポンプ領域内に位置しており、モータステータはポンプ領域外に位置している。永続的に励起される同期モータの使用に基づき、ロータとステータとの間のギャップは比較的大きく形成されていてよい。これにより、ギャップポットの挿入が容易になる。

更に別の有利な構成では、ギャップポットを保持するポンプカバーと、モータステータを取り囲むステータケーシングとが互いに一体に形成されている。これにより、構成部材の数及び接合箇所の数が減少される。

有利には、永久磁石は希土類元素から成っている。希土類元素から成る永久磁石によって、継続時間の長い強力な磁界と同時に、小さな構成が実現され得る。

以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。

図１に示した、回転ピストンポンプとして形成された二軸式真空ポンプ１０は、２本のロータ軸１２，１４を有している。これらのロータ軸１２，１４は、それぞれ回転ピストンとして形成されたポンプロータ１６，１８を有している。一方のロータ軸１４が電気的な駆動モータ２０によって駆動されるのに対して、他方の軸１２は、２つの歯車２２，２３によって形成された伝動装置２４を介して駆動されており且つ一方のロータ軸１４と同期化されている。

駆動モータ２０は同期モータであり、主として永続的に励起されるモータロータ２６と、複数のステータコイル３０，３１を有するモータステータ２８とによって形成される。

モータロータ２６の構成は、図２に拡大して示されている。モータロータ２６は、ポット形のロータボディ３４から成っており、このロータボディ３４は、その外周面に複数の切欠き３６を有しており、これらの切欠き３６には希土類元素から成る各１つの永久磁石３８が接着されている。ロータ２６の外周面は全体的に、非磁性材料から成る円筒形のロータカプセル４０によって取り囲まれる。このロータカプセル４０は、ロータ回転数が高い場合でも永久磁石３８を切欠き３６内で保持し且つこれらの永久磁石３８を、腐食を助成する気体及び液体に対して確実に遮蔽する。ロータカプセル４０は非磁性の特殊鋼製であるが、ＣＦＫ又は別の非磁性材料から成っていてもよい。ロータボディ３４は、積層されて形成されているか、又は中実に形成されていてよい。ロータ２６とステータ２８との間には、ポット状に形成されたギャップポット４２が設けられており、このギャップポット４２はステータ側でモータケーシング４４と結合されている。ギャップポット４２は、モータロータ２６をステータ２８に対して気密にシールする。ギャップポット４２は非磁性の特殊鋼から成っているが、ＣＦＫ又は別の非磁性材料から成っていてもよい。

モータロータ２６は、永久磁石３８によって永続的に励起される同期機のロータとして設計されていることにより、軸方向の構成長さ及び質量が小さい。これにより、モータロータ２６を支持する軸１４だけが２つのポンプロータ用転がり軸受け４６，４７によって支持され且つ当該の軸１４のモータ軸の端部は支持軸受け無しで形成されているということが可能になる。つまり、モータロータ２６は完全に片持ち式で支承されている。

モータケーシング４４は一体に形成されており且つギャップポット４２を保持するポンプカバー４８と、モータステータ２８を取り囲むステータケーシング５０とを有している。ポンプカバー４８は、ギャップポット４２を保持し且つ圧縮室５２を外部に対して気密にシールする。モータケーシング４４の外側に載置されたケーシング５４には、モータ制御装置５６が収納されている。このモータ制御装置５６は、ステータコイル３０，３１の電力供給を制御し且つ調整する。

モータ制御装置５６は同期モータ出力リミッタ５８を有しており、図３に示したように、この同期モータ出力リミッタ５８によって、規定されたモータ定格回転数ｎ_Ｎの上位でモータ出力Ｐ_Ｍを規定された最大モータ出力Ｐ_Ｍｍａｘに制限する。これにより、最大ポンプ出力も最大値に制限される。このことは、ポンプロータ１６，１８の過熱を防ぐために必要とされている。モータ制御装置５６は更に、駆動モータ始動用及び回転数制御用の周波数変換装置を有している。

モータ出力Ｐ_Ｍは、
Ｐ_Ｍ＝ω・Ｍ_Ｍ
から得られる。この場合、ω＝２π・ｎであり、ｎは回転数であり、Ｍ_Ｍはモータトルクである。つまり、回転数が上昇した場合、モータ出力制限はモータトルクＭ_Ｍの低下によってのみ行うことが可能である。

最大モータ出力Ｐ_Ｍｍａｘの得られる定格回転数ｎ_Ｎと、最大回転数ｎ_ｍａｘとの間の回転数範囲は、リミッタ範囲と呼ばれる。永続的に励起されるモータロータ２６によって生ぜしめられる磁束は常に一定なので、リミッタ範囲内のトルクは、ステータコイル３０，３１の適当な制御によってのみ発生可能である。従って、リミッタ範囲内でステータコイル３０，３１は、トルクが回転数の増大に伴って且つ回転数に反比例して低下するように制御される。駆動モータ２０は、リミッタ範囲内、即ちいわゆる弱め界磁範囲内で運転される。

このためには、リミッタ範囲内でステータ電流が所要のトルク低下に対応して減少される。補足的に、出力リミッタ５８はリミッタ範囲内で、モータ磁界と電気的なステータ磁界との間の位相角度を９０°とは異なる角度に調節することができる。リミッタ範囲内のモータ電流若しくは位相角度の制御は、常に回転数に関連して行われる。

図３において認識可能であるように、ポンプトルクＭ_Ｐ及びポンプ出力Ｐ_Ｐは摩擦損失等に基づいて、それぞれ常にモータトルクＭ_Ｍ若しくはモータ出力Ｐ_Ｍのやや下位に位置している。ポンプロータの過熱は、最大ポンプ出力若しくは最大モータ出力の正しい設定及び調整において排除されている。

二軸式真空ポンプの縦断面図である。

図１に示した真空ポンプの駆動モータの詳細図である。

４．８ｋＷの駆動モータを備えた、図１及び図２に示した真空ポンプに関するモータ出力、モータトルク、ポンプトルク特性線及びポンプ出力を示す線図である。

符号の説明

１０ 二軸式真空ポンプ、 １２，１４ ロータ軸、 １６，１８ ポンプロータ、 ２０ 駆動モータ、 ２２，２３ 歯車、 ２４ 電動装置、 ２６ モータロータ、 ２８ モータステータ、 ３０，３１ ステータコイル、 ３４ ロータボディ、 ３６ 切欠き、 ３８ 永久磁石、 ４０ ロータカプセル、 ４２ ギャップポット、 ４４ モータケーシング、 ４６，４７ ポンプロータ用転がり軸受け、 ４８ ポンプカバー、 ５０ ステータケーシング、 ５２ 圧縮室、 ５４ ケーシング、 ５６ モータ制御装置、 ５８ 同期モータ出力リミッタ

Claims (8)

1. ２本の軸（１２，１４）を備えた二軸式真空ポンプであって、一方の軸（１４）が電気的な駆動モータ（２０）によって駆動されており且つモータロータ（２６）を有しており、前記駆動モータ（２０）が同期モータである形式のものにおいて、
   モータロータ（２６）が永久磁石により永続的に励起される同期機のロータとして構成されており、モータ最大出力（ＰＭｍａｘ）が得られるモータ定格回転数（ｎＮ）と、最大回転数（ｎＭａｘ）との間の回転数範囲であるリミッタ範囲内で、モータ出力（ＰＭ）を規定されたモータ最大出力（ＰＭｍａｘ）に制限する同期モータ出力リミッタ（５８）が設けられており、
   該同期モータ出力リミッタ（５８）は、前記リミッタ範囲内で回転数の増大に対応してトルクを低下させるようステータ電流を減少させることを特徴とする、二軸式真空ポンプ。
2. 前記出力リミッタ（５８）が前記リミッタ範囲内で、ロータ磁界と電気的なステータ磁界との間の位相角度を９０度とは異なる角度に調整する、請求項１記載の二軸式真空ポンプ。
3. 駆動されるロータ軸（１４）のモータ側の端部が、片持ち式で且つ支持軸受け無しで支承されている、請求項１又は２記載の二軸式真空ポンプ。
4. モータロータ（２６）が、モータロータボディ（３４）の外側に配置された複数の永久磁石（３８）を有している、請求項１から３までのいずれか１項記載の二軸式真空ポンプ。
5. モータロータ（２６）が非磁性材料から成るロータカプセル（４０）を有しており、該ロータカプセルが、モータロータボディ（３４）及び永久磁石（３８）の外側を取り囲んでいる、請求項４記載の二軸式真空ポンプ。
6. ステータ側に、モータロータ（２６）をモータステータ（２８）に対して気密に閉鎖する、非磁性材料から成るギャップポット（４２）が設けられている、請求項１から５までのいずれか１項記載の二軸式真空ポンプ。
7. ギャップポット（４２）を保持するポンプカバー（４８）と、モータステータ（２８）を取り囲むステータケーシング（５０）とが互いに一体に形成されている、請求項６記載の二軸式真空ポンプ。
8. ロータ用永久磁石（３８）が希土類元素から成っている、請求項５から７までのいずれか１項記載の二軸式真空ポンプ。

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