WO2000063556A1 - Schwingkolbenantrieb - Google Patents

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WO2000063556A1
WO2000063556A1 PCT/EP2000/003528 EP0003528W WO0063556A1 WO 2000063556 A1 WO2000063556 A1 WO 2000063556A1 EP 0003528 W EP0003528 W EP 0003528W WO 0063556 A1 WO0063556 A1 WO 0063556A1
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piston
stator
permanent magnets
drive according
cylinder
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PCT/EP2000/003528
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Rudolf Bahnen
Josef Hodapp
Gunter Knoll
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Leybold Vakuum Gmbh
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Priority to DE2000508237 priority patent/DE50008237D1/de
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K33/00—Motors with reciprocating, oscillating or vibrating magnet, armature or coil system
    • H02K33/16—Motors with reciprocating, oscillating or vibrating magnet, armature or coil system with polarised armatures moving in alternate directions by reversal or energisation of a single coil system
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B35/00—Piston pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by the driving means to their working members, or by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors, not otherwise provided for
    • F04B35/04—Piston pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by the driving means to their working members, or by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors, not otherwise provided for the means being electric
    • F04B35/045—Piston pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by the driving means to their working members, or by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors, not otherwise provided for the means being electric using solenoids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B2201/00—Pump parameters
    • F04B2201/02—Piston parameters
    • F04B2201/0201—Position of the piston
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/08—Structural association with bearings
    • H02K7/09—Structural association with bearings with magnetic bearings

Definitions

  • the invention relates to a vibrating piston drive, in particular for a vibrating piston vacuum pump, with a housing, with a cylinder formed in the housing, with a piston which can be moved back and forth in the cylinder and with an electromagnetic drive for the piston, which has an electromagnet on the stator side and at least one on the piston side Permanent magnets included.
  • a vibrating piston drive with these features is known from DE-A-41 02 710.
  • this oscillating piston drive according to the prior art there are two springs in the cylinder, one of which extends between one of the two end faces of the piston and the associated end face of the cylinder. It is thereby achieved that the piston assumes a central axial position in the idle state. With constant stress on coil springs, fatigue of the spring material is unavoidable. The service life of vibrating piston drives according to the state of the art is therefore limited to the service life of the spring material.
  • the oscillating piston drive according to DE-A-41 02 710 is part of a oscillating piston pump in which at least one of the two chambers formed by the piston and the cylinder has the function of a compression space. The spiral springs are located in this room or in these rooms. This leads to undesirable dead spaces, which impairs the pumping action.
  • the present invention has for its object to improve a vibrating piston drive of the type mentioned in such a way that it no longer has the disadvantage of tiresome spring materials.
  • the aim is to make the drive particularly suitable for use with oscillating piston vacuum pumps.
  • this object is achieved in that permanent magnets are provided on the stator side and that the permanent magnet (s) of the piston and the permanent magnets of the stator are designed and arranged such that the piston assumes an essentially central axial position in the idle state.
  • the idle state that is to say when the electromagnet is de-energized, the superimposition of the magnetic fields generated by the permanent magnets attached to the piston and in the stator has the effect that forces act on the piston which axially center it.
  • the piston is expediently equipped with two permanent magnets, one of which is arranged in the region of the two end faces of the piston.
  • Each of these piston-side permanent magnets is assigned a stator-side permanent magnet, in the region of the end faces of the cylinder with approximately the same radial position.
  • the piston is equipped with only one permanent magnet ring arranged approximately centrally in the axial direction. To the side of this ring there is a permanent magnet arranged on the stator side, whose distances from the magnetic ring of the piston determine the amplitude of the piston movement and which cause the piston to decelerate as it approaches one of the dead centers.
  • the permanent magnets of the stator are magnetized in opposite directions to the corresponding permanent magnets of the piston, then their magnetic fields generate repulsive forces. These forces have the effect that the piston approaching a cylinder end face is braked and the reverse movement of the piston is finally initiated. If the arrangement is constructed symmetrically overall, both in terms of its dimensions and in terms of the strength of the magnetic fields, the piston assumes an axially central position when the coil of the electromagnet is de-energized.
  • asymmetrical structure When using the drive according to the invention in a vibrating piston vacuum pump, one can move in the axial direction asymmetrical structure may be appropriate since the symmetry relationships are decisive for the force characteristic. If the load on the two compression chambers on the front side of the pump is asymmetrical during the pumping process, an adapted force characteristic curve can be ensured by an axially asymmetrical structure of the drive.
  • FIG. 3 shows a vibrating piston vacuum pump with a drive according to the invention
  • FIGS. 4 and 5 exemplary embodiments for oscillating piston vacuum pumps, each with two pistons
  • Figure 8 shows another embodiment of a vibrating piston vacuum pump according to the invention.
  • an outer housing with 2 the cylinder space formed in the housing 2 with 3, located in the cylinder 3 piston with 4 and its liner with 5.
  • Stator components of the electromagnetic drive according to FIGS. 1 to 5 accommodated in the housing, are at least one coil 8 and a pole component 11 (yoke) which is U-shaped in cross section and comprises the coil (s) 8 from three sides. Furthermore, a tube section-shaped pole component 12 (guide yoke) is provided, which is located between the coil 8 and the bushing 5. Finally, the stator system includes two permanent magnets 15, 16, which are located in the areas of the end faces of the cylinder 3. The U-legs of the yoke 11 end at the level of these permanent magnets 15, 16.
  • Components of the electromagnetic drive on the piston side are two permanent magnets 18, 19 which are located in the regions of the end faces of the piston 4.
  • the permanent magnets 18, 19 are assigned to pole components 21 to 24 (FIGS. 1, 2). They are expediently covered with these pole components, the covers 21, 24 on the end face being components of piston cover disks 25, 26, which in their central regions consist of non-ferromagnetic material.
  • the piston 4 is also made of non-ferromagnetic material.
  • FIGS. 1 to 5 The construction of the drives shown in FIGS. 1 to 5 is expediently rotationally symmetrical.
  • the formation of annular permanent magnets is advantageous, both on the stator (15, 16) and on Pistons (18, 19). Non-rotationally symmetrical solutions would be more complex to manufacture.
  • two permanent magnets 18, 19 arranged essentially on the end face are provided on the piston. These could also be replaced by a one-piece permanent magnet which surrounds the piston 4, for example in the form of a tube.
  • the oscillating piston drives expediently have sensor components according to all the figures.
  • Such sensor components 31, 32 are shown only in FIGS. 1 and 2. They are also ring-shaped. One is arranged in the area of the two end faces of the electromagnetic drive. These sensors 31, 32 are used to detect the piston position, mainly in the area of its dead center.
  • the sensors 31, 32 are expediently designed as ring coils. The voltage induced in these ring coils depends on the piston position, so that the signals generated can be used to control the coil (s) 8.
  • Hall elements, optical sensors or eddy current sensors can also be used.
  • the oscillating piston drives according to FIGS. 1 and 2 differ only in relation to the design of the guide yoke 12. In the exemplary embodiment according to FIG. 1, it is designed symmetrically in the axial direction. The driving forces acting on the piston 4 are therefore also symmetrical. In the exemplary embodiment according to FIG. 2, the guide yoke 12 is asymmetrical in the axial direction. trained. Its distance from the sensor coil 32 is less than from the sensor coil 31. The driving forces exerted in the area of the sensor coil 32 on the permanent magnets 19 of the piston 4 are therefore greater than the corresponding driving forces in the area of the permanent magnet 18.
  • FIG. 3 shows an oscillating piston vacuum pump with an oscillating piston drive according to 'the invention.
  • the cylinder 3, the end faces of the piston 4 and the liner 5 form subspaces 34, 35 which have the function of compression spaces.
  • Each of these pump stages has an inlet 36, 37 which opens laterally into the compression space 34 and 35, respectively.
  • the piston and the orifices have the function of inlet control valves in a manner known per se.
  • Outlet valves 41, 42 are each arranged on the end face.
  • the outlet opening expediently extends essentially over the entire cross-sectional area of the cylinder 3 (known per se from DE-A-196 34 517).
  • the closure elements are designed as flexible plates 43, 44 which extend over the entire cross section of the cylinder 3 and which are fastened centrally to the housing 2 and are operated peripherally by the pressure generated or by the end faces of the piston.
  • the piston end faces are concave.
  • the end faces of the cylinder wall or - as shown in Figure 3 - the outer end faces of the stator-side permanent magnets 15, 16 form the valve seats.
  • the gases emerging from the valves 41, 42 first enter outlet chambers 45, 46, to which the outlets 47, 48 are connected.
  • stator permanent magnets 15, 16 are located in the cylinder 3.
  • the end faces of the piston are equipped with outer cutouts 10, 20 which correspond to the size of these magnets. These measures are used to avoid dead spaces during the operation of the pump.
  • FIGS. 4 and 5 show exemplary embodiments for oscillating piston pumps in which two identical pistons 4, 4 ′ are accommodated in the housing 2 with a common central housing disc 50.
  • the drives are designed and controlled in such a way that the two pistons 4, 4 'oscillate in opposite directions. Due to the resulting mass balance, the pumps are vibration-free.
  • the two pump stages of the two pistons 4 and 4 ' are connected in parallel.
  • the gas paths each indicated schematically by lines, indicate that the gas to be conveyed is supplied from the gas inlet 51 to the compression chambers 35 and 34 '. You leave these compression chambers through the outlet valves 42, 41 '. From there, they are fed to the compression chambers 34 and 35 ', respectively. leads.
  • the two gas outlets are labeled 52 and 53.
  • outlet valves 41, 42 and 41 ', 42' shown are similar to those in the exemplary embodiment according to FIG. 3. The difference is that the end faces of the pistons 4, 4 'are not concave but are equipped with tappets which actuate the associated valve disks. Other designs of exhaust valves of this type are known from DE-A-196 34 517.
  • both drives of the pistons 4 and 4 ' are each asymmetrical in the axial direction.
  • the yoke components 12, 12 ′′ are extended toward the respective gas outlet side (outlets 52, 53).
  • the outlet-side permanent magnets 18 and 19 'of the pistons 4 and 4' are covered on both sides with pole components 21, 22 and 21 ', 22', while only one pole component 23 and 23 'is assigned to the inner permanent magnets 19, 18' .
  • the four pump stages are connected in series.
  • the gases conveyed from the inlet 51 to the outlet 54 pass successively through the compression spaces 34 ', 34, 35, 35'.
  • the solution according to FIG. 5 has the special feature of the magnetically actuated closing movement of the valves 41, 42, 41 ', 42'.
  • the plate-like closure elements consist at least in part (eg outer wall) of ferroma magnetic material, so that the stator permanent magnets 15, 16, 15 ', 16' exert an attractive force.
  • the opening of the plates is pressure-controlled or piston-controlled (via the plunger shown), while the closing movement is caused by magnetic forces.
  • FIGS. 6 and 7 show circuit examples for oscillating piston drives equipped with sensor components.
  • the components of the drive are housed in block 61, the components of the electronics in block 62.
  • FIG. 6 shows a solution with only one coil 8, which is controlled as a function of the signals from the sensors 31, 32.
  • the control is provided by a bridge circuit 63 comprising four switches, to which the supply voltage U and on the other hand the signals of the sensors 31, 32 processed in a logic 64 are supplied.
  • the four power electronic switches are controlled via the logic 64 in such a way that the two connections of the coil 8 are connected to the positive or negative pole of the DC voltage source 65, depending on the desired current direction in the coil.
  • the voltage induced in the coil (s) in the stator can be used as information for detecting the piston position and the current supply to the coil (s) can be derived from this information.
  • the principle of self-regulation is used in a second tax law.
  • the maximum current in the coil (s) is specified and the vibration frequency is reduced if the load is too high.
  • the reversal of movement also takes place here when the piston has reached the respective end position.
  • the second tax law is modified in that the movement reversal is carried out before the end position is reached. This enables the oscillating piston motor to be protected against overload when it is "pumped on” or when the permanent load is too great.
  • the system can be designed for smaller forces and can therefore be implemented more cost-effectively. This also applies to the second tax law.
  • the exemplary embodiment of a vibrating piston vacuum pump according to the invention shown in FIG. 8 differs from the embodiment according to FIG. 3 in that the piston 4 is equipped with only one permanent magnet ring 20 which is arranged centrally in the axial direction. It surrounds the jacket of the piston 4, so that the two stator-side permanent magnets 15, 16 can be arranged laterally next to it at a distance which corresponds to the amplitude of the piston movement.
  • the stator-side part of the linear drive is adapted to this arrangement of the permanent magnets 15, 16, 20.
  • There are two coils 8, 8 are provided ", which are x comprised of a yoke 11 with a central yoke member. 11, the end face of the radially inwardly directed central Jochbaumaschines 11 ⁇ surrounds the permanent magnet ring are 20.
  • FIG. 8 also shows an expedient structure of the piston 4. It consists, for example, of two pot components 70, 71 which are connected to one another in the area of their open sides, for example by gluing. To can serve an axially directed projection 72 or 73, which lie in the assembled state concentrically. Furthermore, the pot components 70, 71 are each equipped with a radially extending edge 74 and 75 in the region of their open sides. The distance between these edges 74, 75 from the respective open end face of the pot components 70, 71 is selected such that, in the assembled state, they form a circumferential groove 76, the width of which corresponds to the width of the permanent magnet ring 20. With this solution, a secure attachment of the ring 20 on the piston 4 and the lowest possible piston mass can be achieved.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schwingkolbenantrieb, insbesondere für eine Schwingkolbenvakuumpumpe, mit einem Gehäuse (2), mit einem im Gehäuse ausgebildeten Zylinder (3), mit einem im Zylinder hin and her bewegbaren Kolben (4), und mit einem elektromagnetischen Antrieb für den Kolben (4), welcher statorseitig einen Elektromagneten (11) und kolbenseitig mindestens einen Permanentmagneten (18, 19) umfasst; zur Verlängerung der Lebensdauer wird vorgeschlagen, dass auch statorseitig Permanentmagneten (15, 16) vorgesehen sind und dass der/die Permanentmagnet(en) (18, 19) des Kolbens (4) und die Permanentmagneten (15, 16) des Stators so ausgebildet und angeordnet ist (sind), dass der Kolben (4) im Ruhezustand eine im Wesentlichen zentrale axiale Lage einnimmt.

Description

Schwingkolbenantrieb
Die Erfindung bezieht sich auf einen Schwingkolbenantrieb, insbesondere für eine Schwingkolbenvakuumpumpe, mit einem Gehäuse, mit einem im Gehäuse ausgebildeten Zylinder, mit einem im Zylinder hin und her bewegbaren Kolben und mit einem elektromagnetischen Antrieb für den Kolben, welcher statorseitig einen Elektromagneten und kolbenseitig mindestens einen Permanentmagneten um- fasst .
Ein Schwingkolbenantrieb mit diesen Merkmalen ist aus der DE-A-41 02 710 bekannt. Bei diesem Schwingkolbenantrieb nach dem Stand der Technik befinden sich im Zylinder zwei Federn, von denen sich jeweils eine zwischen einer der beiden Stirnseiten des Kolbens und der zugehörigen Stirnseite des Zylinders erstreckt. Dadurch wird erreicht, dass der Kolben im Ruhezustand eine zentrale axiale Lage einnimmt. Bei einer ständigen Beanspruchung von Spiralfedern ist eine Ermüdung des Federwerkstoffes unvermeidbar. Die Standzeit von Schwingkolbenantrieben nach dem Stand der Technik ist deshalb auf die Lebensdauer des Federwerkstoffes begrenzt. Der Schwingkolbenantrieb nach der DE-A-41 02 710 ist Bestandteil einer Schwingkolbenpumpe, bei der mindestens eine der beiden vom Kolben und vom Zylinder gebildeten Kammern die Funktion eines Kompressionsraumes hat. In diesem Raum bzw. in diesen Räumen befinden sich die Spiralfedern. Dieses führt zu unerwünschten Toträumen, wodurch die Pumpwirkung beeinträchtigt ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schwingkolbenantrieb der eingangs genannten Art derart zu verbessern, dass er den Nachteil ermüdender Federwerkstoffe nicht mehr hat. Außerdem soll erreicht werden, dass der Antrieb für den Einsatz bei Schwingkolbenvakuumpumpen besonders geeignet ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass statorseitig Permanentmagneten vorgesehen sind und dass der/die Permanentmagnet (en) des Kolbens und die Permanentmagneten des Stators so ausgebildet und angeordnet ist (sind), dass der Kolben im Ruhezustand eine im wesentlichen zentrale axiale Lage einnimmt. Im Ruhezustand, das heißt bei stromlosem Elektromagneten, bewirkt die Überlagerung der Magnetfelder, die von den am Kolben und im Stator angebrachten Permanentmagneten erzeugt werden, dass auf den Kolben Kräfte wirken, die diesen axial zentrieren. Dadurch ergibt sich im Ruhezustand eine definierte, z.B. mittlere Kolbenlage, die allein auf der Wirkung von Magnetkräften beruht und keiner mechanischen Zusatzeinrichtungen, wie Federn, bedarf . Zweckmäßig ist der Kolben mit zwei Permanentmagneten ausgerüstet, von denen jeweils einer im Bereich der beiden Stirnseiten des Kolbens angeordnet ist. Jedem dieser kolbenseitigen Permanentmagneten ist jeweils ein statorseitiger Permanentmagnet zugeordnet, und zwar im Bereich der Stirnseiten des Zylinders mit in etwa gleicher radialer Lage.
Bei einer besonders einfachen Lösung ist der Kolben mit nur einem in axialer Richtung etwa zentral angeordneten Permanentmagnetring ausgerüstet. Seitlich neben diesem Ring befinden sich je ein statorseitig angeordneter Permanentmagnet, deren Abstände vom Magnetring des Kolbens die Amplitude der Kolbenbewegung bestimmen und die die gewünschte Verzögerung des Kolbens bewirken, wenn er sich einem der Totpunkte nähert.
Sind die Permanentmagneten des Stators zu den korrespondierenden Permanentmagneten des Kolbens in axialer Richtung gegensinnig magnetisiert, dann erzeugen ihre Magnetfelder abstoßende Kräfte. Diese Kräfte haben die Wirkung, dass der sich einer Zylinderstirnseite nähernde Kolben abgebremst und schließlich die Umkehrbewegung des Kolbens eingeleitet wird. Ist die Anordnung insgesamt symmetrisch aufgebaut, und zwar sowohl in Bezug auf ihre Abmessungen als auch in Bezug auf die Stärke der Magnetfelder, dann nimmt der Kolben im stromlosen Zustand der Spule des Elektromagneten eine axial mittige Lage ein.
Beim Einsatz des erfindungsgemäßen Antriebes in einer Schwingkolbenvakuumpumpe kann ein in axialer Richtung asymmetrischer Aufbau zweckmäßig sein, da die Symmetrieverhältnisse für die Kraftkennlinie maßgebend sind. Ist die Belastung der beiden stirnseitig gelegenen Kompressionsräume der Pumpe während des Pumpprozesses unsymmetrisch, kann durch einen axial unsymmetrischen Aufbau des Antriebs für eine angepasste Kraftkennlinie gesorgt werden.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen an Hand von in den Figuren 1 bis 8 schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden.
Es zeigen
Figuren 1 und 2 Schnitte durch zwei Ausführungsformen eines Schwingkolbenantriebs nach der Erfindung,
Figur 3 eine Schwingkolbenvakuumpumpe mit einem Antrieb nach der Erfindung,
Figuren 4 und 5 Ausführungsbeispiele für Schwingkolbenvakuumpumpen mit jeweils zwei Kolben,
Figuren 6 und 7 Schaltungsbeispiele und
Figur 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Schwingkolbenvakuumpumpe nach der Erfindung.
In den Figuren sind jeweils ein äußeres Gehäuse mit 2, der im Gehäuse 2 ausgebildete Zylinderraum mit 3, der im Zylinder 3 befindliche Kolben mit 4 und seine Laufbuchse mit 5 bezeichnet.
Im Gehäuse untergebrachte Statorbestandteile des elektromagnetischen Antriebs nach den Figuren 1 bis 5 sind mindestens eine Spule 8 sowie ein die Spule (n) 8 von drei Seiten umfassendes, im Querschnitt U-förmiges, nach innen offenes Polbauteil 11 (Joch) . Weiterhin ist ein rohrabschnitt-förmiges Polbauteil 12 (Leitjoch) vorgesehen, das sich zwischen Spule 8 und Laufbuchse 5 befindet. Schließlich gehören zum Statorsystem zwei Permanentmagneten 15, 16, die sich in den Bereichen der Stirnseiten des Zylinders 3 befinden. Die U-Schenkel des Jochs 11 enden in Höhe dieser Permanentmagneten 15, 16.
Kolbenseitige Bestandteile des elektromagnetischen Antriebs sind zwei Permanentmagneten 18, 19, die sich in den Bereichen der Stirnseiten des Kolbens 4 befinden. In radialer Richtung sind den Permanentmagneten 18, 19 Polbauteile 21 bis 24 (Figuren 1, 2) zugeordnet. Zweckmäßig sind sie mit diesen Polbauteilen abgedeckt, wobei die stirnseitig befindlichen Abdeckungen 21, 24 Bestandteile von Kolbenabdeckscheiben 25, 26 sein können, die in ihren zentralen Bereichen aus nicht ferromagne- tischem Werkstoff bestehen. Auch der Kolben 4 besteht im übrigen aus nicht ferromagnetischem Werkstoff.
Der Aufbau der in den Figuren 1 bis 5 dargestellten Antriebe ist zweckmäßig rotationssymmetrisch. Vorteilhaft ist dabei die Ausbildung ringförmiger Permanentmagneten, und zwar sowohl am Stator (15, 16) als auch am Kolben (18, 19). Nicht-rotationssymmetrische Lösungen wären aufwendiger in Bezug auf ihre Herstellung.
Bei allen in den Figuren 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispielen sind jeweils zwei im wesentlichen stirnseitig angeordnete Permanentmagneten 18, 19 am Kolben vorgesehen. Diese könnten auch durch einen einstückigen Permanentmagneten ersetzt werden, der zum Beispiel in Form eines Rohres den Kolben 4 umgibt.
Zweckmäßig weisen die Schwingkolbenantriebe nach allen Figuren Sensorbauteile auf. Nur in den Figuren 1 und 2 sind solche Sensorbauteile 31, 32 dargestellt. Sie sind ebenfalls ringförmig ausgebildet. Jeweils einer ist im Bereich der beiden Stirnseiten des elektromagnetischen Antriebs angeordnet. Diese Sensoren 31, 32 dienen der Erkennung der Kolbenlage, hauptsächlich im Bereich seiner Totpunkte. Zweckmäßig sind die Sensoren 31, 32 als Ringspulen ausgeführt. Die in diesen Ringspulen induzierte Spannung ist von der Kolbenlage abhängig, so dass die erzeugten Signale zur Ansteuerung der Spule (n) 8 verwendet werden können. Statt der Ringspulen können auch Hall-Elemente, optische Sensoren oder Wirbelstromsensoren eingesetzt werden.
Die Schwingkolbenantriebe nach den Figuren 1 und 2 unterscheiden sich nur in Bezug auf die Ausbildung des Leitjochs 12. Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 1 ist es in axialer Richtung symmetrisch ausgebildet. Die auf den Kolben 4 wirkenden Antriebskräfte sind deshalb ebenfalls symmetrisch. Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 2 ist das Leitjoch 12 in axialer Richtung asymme- trisch ausgebildet. Sein Abstand zur Sensor-Spule 32 ist geringer als zur Sensorspule 31. Die im Bereich der Sensorspule 32 auf den Permanentmagneten 19 des Kolbens 4 ausgeübten Antriebskräfte sind deshalb größer als die entsprechenden Antriebskräfte im Bereich des Permanentmagneten 18. Diese Wirkung kann auch durch axial asymmetrische Gestaltung anderer Polbauteile, z.B. der Abdeckscheiben 21 bis 24, der Ausbildung der Schenkelenden des Jochs 11 oder dergleichen, erreicht werden. Im übrigen sind die Schwingkolbenantriebe nach den Figuren 1 und 2 sehr schematisch dargestellt. Mit dem Kolben 4 verbundene Antriebselemente wurden weggelassen.
Die Figur 3 zeigt eine Schwingkolbenvakuumpumpe mit einem Schwingkolbenantrieb nach 'der Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel bilden der Zylinder 3, die Stirnseiten des Kolbens 4 und die Laufbuchse 5 Teilräume 34, 35, die die Funktion von Kompressionsräumen haben. Jede dieser Pumpstufen hat jeweils einen Einlass 36, 37, der seitlich in den Kompressionsraum 34 bzw. 35 mündet. Dadurch haben der Kolben und die Mündungen in an sich bekannter Weise die Funktion von Einlass-Steuerventilen.
Auslass-Ventile 41, 42 sind jeweils stirnseitig angeordnet. Zweckmäßig erstreckt sich die Auslassöffnung im wesentlichen über die gesamte Querschnittsfläche des Zylinders 3 (an sich bekannt aus der DE-A-196 34 517) . Die Verschlusselemente sind als sich über den gesamten Querschnitt des Zylinders 3 erstreckende, flexible Teller 43, 44 ausgebildet, die zentral am Gehäuse 2 befestigt sind und peripher durch den erzeugten Druck oder durch die Stirnseiten des Kolbens betätigt werden. Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 3 sind die Kolbenstirnseiten konkav gestaltet. Die Stirnseiten der Zylinderwand oder - wie in Figur 3 dargestellt - die äußeren Stirnflächen der statorseitigen Permanentmagneten 15, 16 bilden die Ventilsitze. Die aus den Ventilen 41, 42 austretenden Gase treten zunächst in Auslasskammern 45, 46 ein, an die sich die Auslässe 47, 48 anschließen.
Bei der Ausführung nach Figur 3 befinden sich die Stator-Permanentmagneten 15, 16 im Zylinder 3. Die Stirnseiten des Kolbens sind mit äußeren, der Größe dieser Magneten entsprechenden Aussparungen 10, 20 ausgerüstet. Diese Maßnahmen dienen der Vermeidung von Toträumen während des Betriebs der Pumpe.
Die Figuren 4 und 5 zeigen Ausführungsbeispiele für Schwingkolbenpumpen, bei denen im Gehäuse 2 mit einer gemeinsamen mittleren Gehäusescheibe 50 jeweils zwei gleichartige Kolben 4, 4 ' untergebracht sind. Die Antriebe sind derart ausgebildet und gesteuert, dass die beiden Kolben 4, 4' gegensinnig schwingen. Infolge des dadurch bewirkten Massenausgleichs sind die Pumpen vibrationsfrei .
Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 4 sind die beiden Pumpstufen der beiden Kolben 4 und 4' parallel geschaltet. Die jeweils schematisch durch Linien angedeuteten Gaswege lassen erkennen, dass das zu fördernde Gas vom Gaseinlass 51 den Kompressionskammern 35 und 34' zugeführt wird. Sie verlassen diese Kompressionskämmern durch die Austrittsventile 42, 41' . Von dort aus werden sie jeweils den Kompressionskammern 34 bzw. 35' zuge- führt. Die beiden Gasauslässe sind mit 52 und 53 bezeichnet .
Die dargestellten Auslassventile 41, 42 und 41', 42' sind ähnlich ausgebildet, wie beim Ausführungsbeispiel nach Figur 3. Unterschiedlich ist, dass die Stirnseiten der Kolben 4, 4' nicht konkav ausgebildet sondern mit Stößeln ausgerüstet sind, die die zugehörigen Ventilteller betätigen. Andere Ausführungen von Auslassventilen dieser Art sind aus der DE-A-196 34 517 bekannt.
Unterschiedlich gegenüber der Lösung nach Figur 3 ist weiterhin, dass beide Antriebe der Kolben 4 und 4' jeweils in axialer Richtung asymmetrisch ausgebildet sind. Die Jochbauteile 12, 12'' sind zur jeweiligen Gasauslassseite (Auslässe 52, 53) hin verlängert. Die aus- lassseitigen Permanentmagneten 18 und 19' der Kolben 4 und 4' sind beidseitig mit Polbauteilen 21, 22 bzw. 21' , 22' abgedeckt, während den inneren Permanentmagneten 19, 18' nur jeweils ein Polbauteil 23 bzw. 23' zugeordnet ist. Durch diese Maßnahmen sind die Kraftkennlinien der Antriebe der Tatsache angepasst, dass die äußeren Pumpstufen gegen Atmosphärendruck pumpen.
Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 5 sind die vier Pumpstufen hintereinander geschaltet. Die vom Einlass 51 zum Auslass 54 geförderten Gase gelangen nacheinander durch die Kompressionsräume 34', 34, 35, 35'. Die Lösung nach Figur 5 weist die Besonderheit der magnetisch betätigten Schließbewegung der Ventile 41, 42, 41', 42' auf. Die tellerartigen Verschlusselemente bestehen zumindest zum Teil (z.B. Außenwand) aus ferroma- gnetischem Werkstoff, so dass die Statorpermanentmagneten 15, 16, 15', 16' eine anziehende Kraft ausüben. Die Öffnung der Teller erfolgt druckgesteuert oder kolbengesteuert (über die dargestellten Stößel), während die Schließbewegung von magnetischen Kräften bewirkt wird.
Die Figuren 6 und 7 zeigen Schaltungsbeispiele für mit Sensorbauteilen ausgerüstete Schwingkolbenantriebe. Die Bauteile des Antriebs sind jeweils im Block 61, die Bauteile der Elektronik im Block 62 untergebracht.
Figur 6 zeigt eine Lösung mit nur einer Spule 8, die in Abhängigkeit von den Signalen der Sensoren 31, 32 angesteuert wird. Der Ansteuerung dient eine vier Schalter umfassende Brückenschaltung 63, der zum einen die Speisespannung U und zum anderen die in einer Logik 64 verarbeiteten Signale der Sensoren 31, 32 zugeführt werden. Die vier leistungselektronischen Schalter werden über die Logik 64 so angesteuert, dass die beiden Anschlüsse der Spule 8 je nach gewünschter Stromrichtung in der Spule mit dem positiven oder negativen Pol der Gleichspannungsquelle 65 verbunden werden.
Bei der Anordnung nach Figur 7 befinden sich zwei gegensinnig gewickelte Spulen 8' und 8'' im Spulenraum des Antriebs . Sie können nebeneinander oder konzentrisch zueinander angeordnet sein. In diesem Fall muss in beiden Spulen nur eine Stromflussrichtung möglich sein. Das eine Ende der Spulen wird daher fest mit dem positiven Pol der Gleichspannung U verbunden, während die anderen Enden der Spulen mittels zweier leistungselektronischer Schalter 66, 67 mit dem negativen Pol der Gleichspannung U abwechselnd verbunden werden. Die Ansteuerung der beiden Schalter erfolgt direkt über die Sensoren 31, 32 im oberen und unteren Totpunkt. Diese Anordnung minimiert den leistungselektronischen Aufwand. Sie bedeutet jedoch eine schlechtere Ausnutzung des Spulenraums.
Es besteht die Möglichkeit, auf Sensorbauteile im Antrieb zu verzichten. In diesem Fall kann die in die Spule (n) im Stator induzierte Spannung als Information zur Erkennung der Kolbenlage herangezogen und die Be- stromung der Spule (n) von dieser Information abgeleitet werden.
Bezüglich der Steuerung der Spule (n) sind mehrere Varianten realisierbar. Bei der ersten wird eine Schwingfrequenz fest vorgegeben und der Strom in der/den Spule (n) so vorgegeben, dass diese Frequenz auch erreicht wird. Die Bewegungsumkehr erfolgt in der jeweiligen Endlage. Diese Vorgehensweise wird als Fremdsteuerung bezeichnet. Dieses Prinzip hat den Nachteil, dass es bei einer sehr großen Prozessbelastung zu einer Überlastung der Pumpe kommen kann.
Bei einem zweiten Steuergesetz wird das Prinzip der Selbststeuerung verwendet. In diesem Fall wird der maximale Strom in der/den Spule (n) vorgegeben und bei einer zu großen Belastung die Schwingfrequenz reduziert. Die Bewegungsumkehr erfolgt auch hier dann, wenn der Kolben in der jeweiligen Endlage angekommen ist. Bei einem dritten Steuergesetz wird das zweite Steuergesetz insofern abgewandelt, als dass die Bewegungsumkehr bereits vor dem Erreichen der Endlage durchgeführt wird. Damit kann der Schwingkolbenmotor beim "Anpumpen" oder bei zu großer dauerhafter Last vor Überlastung geschützt werden. Zusätzlich kann das System für kleinere Kräfte ausgelegt und damit kostengünstiger realisiert werden. Dies gilt auch für das zweite Steuergesetz.
Das in der Figur 8 dargestellte Ausführungsbeispiel einer Schwingkolbenvakuumpumpe nach der Erfindung unterscheidet sich von der Ausführung nach Figur 3 dadurch, dass der Kolben 4 mit nur einem Permanentmagnetring 20 ausgerüstet ist, der in axialer Richtung zentral angeordnet ist. Er umgibt den Mantel des Kolbens 4, so dass die beiden statorseitigen Permanentmagneten 15, 16 in einem Abstand, der der Amplitude der Kolbenbewegung entspricht, seitlich daneben angeordnet werden können. Der statorseitige Teil des Linearantriebs ist dieser Anordnung der Permanentmagneten 15, 16, 20 angepaßt. Es sind zwei Spulen 8 , 8" vorgesehen, die von einem Joch 11 mit einem zentralen Jochbauteil 11 x umfaßt werden. Die Stirnseite des radial nach innen gerichteten zentralen Jochbauteiles 11 Λ umgibt den Permanentmagnetring 20. Die Stirnseiten der inneren, sich axial erstreckenden Jochbauteile liegen den statorseitigen Permanentmagneten 15, 16 von außen an.
Figur 8 läßt weiterhin einen zweckmäßigen Aufbau des Kolbens 4 erkennen. Er besteht beispielhaft aus zwei Topfbauteilen 70, 71, die im Bereich ihre offenen Seiten z.B. durch Kleben miteinander verbunden sind. Dazu können je ein axial gerichteter Vorsprung 72 bzw. 73 dienen, die im zusammengefügten Zustand konzentrisch einander anliegen. Weiterhin sind die Topfbauteile 70, 71 im Bereich ihrer offenen Seiten jeweils mit einem sich radial erstreckenden Rand 74 bzw. 75 ausgerüstet. Der Abstand dieser Ränder 74, 75 von der jeweiligen offenen Stirnseite der Topfbauteile 70, 71 ist so gewählt, dass sie im zusammengefügten Zustand eine umlaufende Nut 76 bilden, deren Breite der Breite des Permanentmagnetringes 20 entspricht. Mit dieser Lösung können eine sichere Befestigung des Ringes 20 auf dem Kolben 4 sowie eine möglichst geringe Kolbenmasse erreicht werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Schwingkolbenantrieb, insbesondere für eine Schwingkolbenvakuumpumpe, mit einem Gehäuse (2), mit einem im Gehäuse ausgebildeten Zylinder (3) , mit einem im Zylinder hin und her bewegbaren Kolben (4), und mit einem elektromagnetischen Antrieb für den Kolben (4), welcher statorseitig einen Elektromagneten (11) und kolbenseitig mindestens einen Permanentmagneten (18, 19) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass auch statorseitig Permanentmagneten (15, 16) vorgesehen sind und dass der
(20) bzw. die Permanentmagnet (en) (18, 19) des Kolbens (4) und die Permanentmagneten (15, 16) des Stators so ausgebildet und angeordnet ist (sind) , dass der Kolben (4) im Ruhezustand eine im wesentlichen zentrale axiale Lage einnimmt.
2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (4) jeweils stirnseitig mit einem Permanentmagneten (18 bzw. 19) ausgerüstet ist und dass sich jeweils ein statorseitiger Permanentmagnet (15 bzw. 16) im Bereich der Stirnseiten des Zylinders (3) befindet.
. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die statorseitigen Permanentmagneten (15, 16) im Zylinder (3) befinden und dass die Stirnseiten des Kolbens (4) jeweils mit Aussparungen ausgerüstet sind, die den Abmessungen der statorseitigen Permanentmagneten (15, 16) entsprechen.
4. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass statorseitig ein Polbauteil (Joch) (11) vorgesehen ist, das im Querschnitt U- förmig ausgebildet ist und dessen U-Schenkel in Höhe der statorseitigen Permanentmagneten (15, 16) enden.
5. Antrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das U-förmig ausgebildete Polbauteil (11) eine oder mehrere Spulen (8, 8', 8'') von drei Seiten umfasst.
6. Antrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen der oder den Spule (n) und dem Zylinder (3) ein weiteres, etwa rohrabschnittför- miges Polbauteil (12) befindet.
7. Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Permanentmagneten
(18, 19) am Kolben (4) axial angeordnete Polbauteile (21 bis 24) zugeordnet sind.
8. Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben mit nur einem, in axia- ler Richtung etwa zentral angeordneten Permanentmagneten (20) ausgerüstet ist.
9. Antrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass je ein statorseitig angeordneter Permanentmagnet (15, 16) seitlich neben dem kolbenseitig angeordneten Permanentmagneten (20) vorgesehen ist und dass der Abstand der statorseitigen Permanentmagneten (15, 16) der Amplitude der Kolbenbewegung entspricht .
10. Antrieb nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwei in axialer Richtung nebeneinanderliegende Spulen (8', 8") vorgesehen sind, dass ein Joch (11) Spulen umfaßt, daß die Stirnseite eines zentralen Jochbauteiles (11') kolbenseitigen Permanentmagneten (20) umgibt und daß die Stirnseiten der inneren, sich axial erstreckenden Jochbauteile den statorseitigen Permanentmagneten (15, 16) von außen anliegen.
11. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass er rotationssymmetrisch aufgebaut ist und dass die Permanentmagneten (15, 16, 18, 19, 20) jeweils ringförmig ausgebildet sind.
12. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Polbauteile und/oder die Magnetkräfte axial symmetrisch aufgebaut bzw. gewählt sind.
13. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Polbauteile und/oder die Magnetkräfte axial asymmetrisch aufgebaut bzw. gewählt sind.
14. Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er mit Sensoren (31, 32) zur Erkennung der Kolbenlage ausgerüstet ist.
15. Schwingkolbenvakuumpumpe mit einem Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der beiden vom Kolben
(4) und vom Zylinder (3) gebildeten Kammern (34, 35) mit einem Eintrittsventil und mit einem Austrittsventil ausgerüstet ist.
16. Pumpe nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine seitlich in die Kammer mündende Einlassleitung (36) vorgesehen ist, deren Mündung zusammen mit dem Kolben (4) ein Eintrittsventil bildet.
17. Pumpe nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass druck- oder kolbengesteuerte Austrittsventile (41, 42) vorgesehen sind.
18. Pumpe nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschlussstücke (43, 44) der Austrittsventile (41, 42) als Teller ausgebildet sind und sich im wesentlichen über den gesamten Querschnitt des Zylinders (3) erstrecken.
19. Pumpe nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Schließbewegung der Teller (43, 44) durch Federkräfte erfolgt.
20. Pumpe nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Schließbewegung der Teller (43, 44) durch magnetische Kräfte erfolgt.
21. Pumpe nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Teller (43, 44) zumindest teilweise aus ferromagnetischem Werkstoff bestehen und dass die äußere Stirnseite der Statorpermanentmagneten (15, 16, 15', 16') den Ventilsitz bilden.
22. Pumpe nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Zylinder- /Kolbenpaare (3, 4, 3', 4') im Gehäuse (2) untergebracht sind.
23. Antrieb oder Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von Sensoren (31, 32) oder von anderen kolbenlagerabhängi- gen Signalen gesteuerte Schaltmittel (63, 66, 67) zur Ansteuerung der Spule (n) (8, 8', 8") vorgesehen sind.
24. Verfahren zum Betrieb einer Pumpe oder eines Antriebs nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Kolbenbewegung und/oder der maximale Strom in der/den Spule (n) vorgegeben wird.
25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsumkehr bereits vor dem Erreichen der Endlage durchgeführt wird.
26. Verfahren nach Anspruch 24 oder 25 zum Betrieb einer Pumpe nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die zugehörigen Antriebe so gesteuert werden, dass die Kolben (4, 4') paarweise gegensinnig schwingen.
27. Kolben für einen Schwingkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass er aus zwei Topfbauteilen (70, 71) besteht, die im Bereich ihrer offenen Stirnseiten mit Verbindungs- mittein (72, 73) ausgerüstet sind.
28. Kolben nach Anspruch 27 für eine Pumpe nach einem der ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Topfbauteile (70, 71) im Bereich ihrer offenen Stirnseiten mit Rändern (74, 75) ausgerüstet sind, die im zusammengebauten Zustand eine Ringnut (76) zur Aufnahme des Magnetringes (20) bilden.
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