WO2003031818A1 - Oscillating-piston drive for a vacuum pump and an operating method for said drive - Google Patents

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WO2003031818A1
WO2003031818A1 PCT/EP2002/010921 EP0210921W WO03031818A1 WO 2003031818 A1 WO2003031818 A1 WO 2003031818A1 EP 0210921 W EP0210921 W EP 0210921W WO 03031818 A1 WO03031818 A1 WO 03031818A1
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drive
piston
coils
sections
magnet
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PCT/EP2002/010921
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Inventor
Rudolf Bahnen
Josef Hodapp
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Leybold Vakuum Gmbh
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Publication date
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    • 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
    • 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
    • F04B2203/00—Motor parameters
    • F04B2203/04—Motor parameters of linear electric motors
    • F04B2203/0401—Current

Definitions

  • the invention relates to an oscillating piston drive for a vacuum pump with a piston, which has two piston sections and a central area equipped with a drive magnet, with cylinder sections assigned to the piston sections, with an annular recess arranged between the cylinder sections and located at the level of a central yoke. which forms the movement space of the / drive magnet, and with an electromagnetic drive surrounding the piston with yoke components and coils located to the side of the central yoke.
  • the invention also relates to operating methods for the drive.
  • the aim of the developers and designers concerned here is to improve the pumping power or effect (suction capacity, compression) of a vacuum pump, if possible with a constant, preferably even smaller, construction volume and / or reduced energy consumption.
  • This goal is synonymous with the fact that measures that become necessary in the course of the further development or design of a pump of the type concerned must not be associated with impairments of the pump performance.
  • the present invention is based on the object of proposing a vibrating piston drive for a vacuum pump in which impairments to the pump performance are reduced.
  • a vibrating piston drive of the type mentioned at the outset is known from WO 00/63 556, FIG. 8. It has a number of components (coils, pole components, cylinders, etc.) that adjoin the range of motion of the drive magnet and influence the pump power. There is a risk that the movement space is connected to the external environment via gaps between the components or current feedthroughs. Air penetrates into the movement space via such gaps and increases the negative pressure which forms in the movement space during operation of the pump. Measures to seal this gap (e.g. layers of adhesive or sealant) can impair the efficiency of the electromagnetic drive since they increase the distance between the individual components.
  • a canned tube limit the outer recess peripherally.
  • a pipe section that peripherally delimits the movement space of the drive magnet reduces the number of gaps opening into the movement space, so that the risk of undesirable pressure increases in this space is largely eliminated.
  • the wall thickness the tube can be very small, e.g. B. less than 1 mm, so that impairments in the efficiency of the electromagnetic drive are negligible.
  • the can are those that have good sliding properties, such as plastic, aluminum, stainless steel or the like. the like (Not - or only weakly ferromagnetic.
  • the canned tube can be made of a more ferro-magnetic material and its wall thickness can be selected at least in the area of sections outside the central yoke so that the drive magnet magnetizes the respective section to saturation when it is in the areas This design of the can has the effect that it becomes part of the drive. The saturated section is practically no longer available for the magnetic field of the associated coil.
  • the input signal for the phase control can z. B.
  • the stroke frequency of the piston results in all cases from the frequency of the alternating current supplied.
  • FIG. 1 shows a section through a piston vacuum pump with a drive according to the invention
  • Figure 2 is a partial section at the level of the can
  • Figure 3 is a schematic representation of a pump according to the invention with means for powering the drive coils.
  • the figures each show a piston vacuum pump 1 with a piston 2: This has piston sections 3 and 4, the free end faces of which are each assigned a cylindrical pump chamber 5 or 6.
  • the piston 2 and the scoops 5, 6 are located in a housing 7 with cylinder sections 8, 9 for the piston sections 3, -4.
  • the materials of the cylinder sliding surfaces and the associated piston surfaces are selected in a manner known per se so that the pump can be operated dry, ie without lubricants.
  • a linear drive is assigned to the piston 2. It comprises a permanent magnet ring 11 on the piston side, which surrounds the piston 2 in its central region. The permanent magnet ring 11 moves in an annular space surrounding the piston 2 (recess 12). On the stator side, the permanent magnet 12 on the piston side is assigned further permanent magnet rings 13, 14, which each form the axial delimitation of the annular recess 12. The cylinder sections 8, 9 also end at the level of these permanent magnet rings.
  • the stator-side components of the linear drive are also the coils 15 and 16. They are partially surrounded by yoke components 17, 18 and, together with these yoke components, surround the cylinder sections 8 and 9, respectively. Between the coils 15, 16 and the yoke components 17, 18 there is a annular center yoke 19, the inner surface of which faces the annular space 12. The coils 15, 16 are energized such that the magnetic fields generated by them and guided by the yoke components 17 to 19 interact with the magnetic fields of the permanent magnet rings 11, 13 and 14 in the desired manner.
  • the piston 2 should swing about its central position so that the piston faces can perform their pumping function during this movement.
  • the compression spaces 5, 6 are each equipped with an inlet valve and an outlet valve (only shown in FIG. 1).
  • Each of the inlet valves has an inlet opening 21 or 22, which is located between an outer inlet chamber 23 or 24 and the respective scooping chamber 5 or 6.
  • the inlet openings 21, 22 are designed as slot-shaped, radially extending openings in the respective cylinder wall 8 or 9.
  • the piston sections 3 and 4 release the respective inlet opening when they assume one of their two dead center positions (each position retracted into the cylinder section).
  • the outlet valves 26, 27 are each arranged on the end face. Their closure elements 28, 29 separate the respective compression space 5 or 6 from an outlet space 31, 32 until they are opened by the respective piston section 3 or 4 - at high pressure differences also from the pressure generated.
  • the closure elements 28, 29 are designed as flexible plates which extend over the entire cross section of the cylinder sections 3, 4 and which are fastened centrally to the housing 7 and are actuated peripherally by the pressure generated or by the end faces of the piston 2.
  • the piston faces are concave.
  • the end faces of the components which form the cylinder sections 8, 9 have the function of the valve seats.
  • the canned tube is designated 34. It surrounds the annular space or the recess 12 and extends into the area of the stator permanent magnet rings 13, 14.
  • FIG. 2 shows that the can 34 has two lateral sections 35, 36 with a relatively small wall thickness and a central section with a larger wall thickness.
  • the wall thickness of the lateral sections 35, 36 is less than 1 mm, preferably 0.7 mm. With these wall thicknesses, the desired saturation occurs through the drive magnet 11 when it is in the vicinity of the sections 35, 36.
  • the larger wall thickness in the central area is only required if the can has to have sufficient mechanical strength.
  • FIG. 3 shows the vacuum pump 1 with its linear drive only very schematically.
  • an embodiment for the power supply of the coils 15, 16 according to the invention is shown.
  • alternating current preferably the mains current at 50 Hz
  • the actuator 42 only allows the positive, the actuator 43 only the negative half-wave of the alternating current.
  • the current / time diagrams 44, 45, 46 shown in the area of the power supply and between the actuators 42, 43 and the coils 15, 16 show the power supply of the coils according to the invention.
  • the coils 15, 16 are expediently switched into the respective supply circuit in such a way that they exert repulsive forces on the drive magnet 11. As a result, the piston swings around its central position at the frequency of the alternating current supplied.
  • the permanent magnets 13, 14 are expediently magnetized in such a way that they exert a repulsive effect on the drive magnets. This solution has the advantage that mechanical springs that move the piston back to its central position can be eliminated.

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Abstract

The invention relates to an oscillating-piston drive for a vacuum pump (1) with a piston (2), which presents two piston sections (3, 4) and an intermediate zone provided with a drive magnet (11), cylinder sections (8, 9) associated to said piston sections (3, 4), an annular recess (12) arranged between the cylinder sections (8, 9) at a central yoke (19), said recess forming the space for movement of said drive magnet (11) and an electromagnetic drive surrounding the piston (2), which comprises yoke components (17, 18, 19) and coils (15, 16) situated to the sides of said central yoke. The aim of the invention is to reduce negative influences on the delivery rate of the pump. Said aim is achieved, whereby a can (34) delimits the recess (12) periphery or whereby the current supply to the coils is controlled, such that only one coil conducts current.

Description

Schwingkolbenantrieb für eine Vakuumpumpe sowie Betriebsverfahren für diesen AntriebVibrating piston drive for a vacuum pump and operating method for this drive
Die Erfindung bezieht sich auf einen Schwingkolbenantrieb für eine Vakuumpumpe mit einem Kolben, der zwei Kolbenabschnitte und einen mittleren, mit einem Antriebsmagneten ausgerüsteten Bereich aufweist, mit den Kolbenabschnitten zugeordneten Zylinderabschnitten, mit einer zwischen den Zylinderabschnitten angeordneten, in Höhe eines Mitteljochs befindlichen, ringförmigen Aussparung, die den Bewegungsraum des /Antriebsmagneten bildet, und mit einem elektromagnetischen, den Kolben umgebenden Antrieb mit Jochbauteilen und seitlich vom Mitteljoch befindlichen Spulen. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf Betriebsverfahren für den Antrieb.The invention relates to an oscillating piston drive for a vacuum pump with a piston, which has two piston sections and a central area equipped with a drive magnet, with cylinder sections assigned to the piston sections, with an annular recess arranged between the cylinder sections and located at the level of a central yoke. which forms the movement space of the / drive magnet, and with an electromagnetic drive surrounding the piston with yoke components and coils located to the side of the central yoke. The invention also relates to operating methods for the drive.
Allgemein ist es das Ziel der hier betroffenen Entwickler und Konstrukteure, die Pumpleistung oder -Wirkung (Saugvermögen, Kompression) einer Vakuumpumpe zu verbessern, und zwar möglichst bei gleichbleibendem, vorzugsweise sogar kleinerem Bauvolumen und/oder reduziertem Energiebedarf. Dieses Ziel ist gleichbedeutend damit, dass im Zuge der Weiterentwicklung bzw. Konstruktion einer Pumpe der betroffenen Art notwendig werdende Maßnahmen nicht mit Beeinträchtigungen der Pumpleistung verbunden sein dürfen. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Schwingkolbenantrieb für eine Vakuumpumpe vorzuschlagen, bei der Pumpleistungsbeeinträchtigungen reduziert sind.In general, the aim of the developers and designers concerned here is to improve the pumping power or effect (suction capacity, compression) of a vacuum pump, if possible with a constant, preferably even smaller, construction volume and / or reduced energy consumption. This goal is synonymous with the fact that measures that become necessary in the course of the further development or design of a pump of the type concerned must not be associated with impairments of the pump performance. The present invention is based on the object of proposing a vibrating piston drive for a vacuum pump in which impairments to the pump performance are reduced.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche gelöst.According to the invention, this object is achieved by the characterizing features of the claims.
Ein Schwingkolbenantrieb der eingangs erwähnten Art ist aus der WO 00/63 556, Figur 8, bekannt. Er weist eine Reihe von Bauteilen (Spulen, Polbauteile, Zylinder usw.) auf, die an den Bewegungsraum des Antriebsmagneten angrenzen und Einfluss auf die Pumpleistung haben. Es besteht die Gefahr, dass der Bewegungsraum über Spalte zwischen den Bauteilen oder Stromdurchführungen mit der äußeren Umgebung in Verbindung steht. Über solche Spalte dringt Luft in den Bewegungsraum ein und erhöht den sich während des Betriebs der Pumpe im Bewegungsraum ausbildenden Unterdruck. Maßnahmen zur Abdichtung dieser Spalte (z. B. Kleber- oder Dichtmittel- Schichten) können den Wirkungsgrad des elektromagnetischen 7λntriebs beeinträchtigen, da sie den Abstand der einzelnen Bauteile voneinander vergrößern.A vibrating piston drive of the type mentioned at the outset is known from WO 00/63 556, FIG. 8. It has a number of components (coils, pole components, cylinders, etc.) that adjoin the range of motion of the drive magnet and influence the pump power. There is a risk that the movement space is connected to the external environment via gaps between the components or current feedthroughs. Air penetrates into the movement space via such gaps and increases the negative pressure which forms in the movement space during operation of the pump. Measures to seal this gap (e.g. layers of adhesive or sealant) can impair the efficiency of the electromagnetic drive since they increase the distance between the individual components.
Bei einer ersten Lösung der gestellten Aufgabe wird vorgeschlagen, dass ein Spaltrohr die äußere Aussparung peripher begrenzt. Ein den Bewegungsraum des Tλntriebs- magneten peripher begrenzender Rohrabschnitt reduziert die Anzahl der in den Bewegungsraum mündenden Spalte, so dass die Gefahr unerwünschter Druckerhöhungen in diesem Raum weitestgehend beseitigt ist. Die Wandstärke des Rohres kann sehr- klein sein, z. B. unter 1 mm,—so dass Beeinträchtigungen des Wirkungsgrades des elektromagnetischen Antriebs vernachlässigbar sind.In a first solution to the problem, it is proposed that a canned tube limit the outer recess peripherally. A pipe section that peripherally delimits the movement space of the drive magnet reduces the number of gaps opening into the movement space, so that the risk of undesirable pressure increases in this space is largely eliminated. The wall thickness the tube can be very small, e.g. B. less than 1 mm, so that impairments in the efficiency of the electromagnetic drive are negligible.
Zweckmäßige Werkstoffe für das Spaltrohr sind solche, die gute Gleiteigenschaften haben, wie Kunststoff, Aluminium, Edelstahlt o . dgl . (nicht - oder nur schwach ferromagnetisch. Alternativ kann das Spaltrohr aus einem stärker ferrogmagnetischem Werkstoff bestehen und seine Wandstärke zumindest im Bereich von Abschnitten außerhalb des Mitteljochs so gewählt sein, dass der Antriebsmagnet den jeweiligen Abschnitt bis zur Sättigung magnetisiert, wenn er sich in den Bereichen außerhalb des Mitteljochs befindet. Diese Ausbildung des Spaltrohres hat die Wirkung, dass es zu einem Teil des Antriebs wird. Der jeweils gesättigte Abschnitt ist für das Magnetfeld der zugehörigen Spule praktisch nicht mehr vorhanden. Dies wirkt wie eine Luftspalterweiterung für diese Spule und führt zu einer Verminderung der Induktivität eben dieser Spule. Der Strom in einer Spule wird dann aufgebaut, wenn sich der Antriebsmagnet im Bereich dieser Spule befindet, d.h. der zugehörige Spaltrohrabschnitt gesättigt ist. Geringere Induktivität bedeutet damit bei gegebener Spannung einen schnelleren Stromaufbau. Mit dem Magnetfeld dieses Stromes wird jetzt der Antriebsmagnet von dieser Spule abge- stossen hin zur axial gegenüber liegenden Spule. Die Sättigungswirkung des Antriebsmagneten auf das Spaltrohr verschwindet. Da der Strom aber jetzt den benötigten Wert hat, ist die Zunahme der Induktivität nicht störend. Voraussetzung für dieses Wirkprinzip ist, dass das-Magnetfeld des Antriebsmagneten stärker ist als das der Spule. Wenn dem nicht so wäre, dann würde das Spulenfeld das Feld des Antriebsmagneten im Spaltrohr praktisch "überschreiben" (Felder sind entgegengesetzt gerichtet) und die Sättigung sofort aufheben. Die notwendigen Kräfte bei diesem Antrieb sind aber nur mit ausreichend starken, z.B. Selten-Erd-Magneten, realisierbar. Bei diesen Magneten ist diese Voraussetzung immer gegeben.Appropriate materials for the can are those that have good sliding properties, such as plastic, aluminum, stainless steel or the like. the like (Not - or only weakly ferromagnetic. Alternatively, the canned tube can be made of a more ferro-magnetic material and its wall thickness can be selected at least in the area of sections outside the central yoke so that the drive magnet magnetizes the respective section to saturation when it is in the areas This design of the can has the effect that it becomes part of the drive. The saturated section is practically no longer available for the magnetic field of the associated coil. This acts as an air gap expansion for this coil and leads to a Reduction of the inductance of this coil The current in a coil is built up when the drive magnet is in the area of this coil, ie the associated canned section is saturated, so lower inductance means faster current build-up at a given voltage The drive magnet is now repelled from this coil towards the axially opposite coil. The saturation effect of the drive magnet on the can disappears. However, since the current now has the required value, the increase in inductance is not disruptive. The prerequisite for this operating principle is that the magnetic field of the drive magnet is stronger than that of the coil. If this were not the case, the coil field would practically "overwrite" the field of the drive magnet in the can (fields are directed in opposite directions) and the saturation would be removed immediately. The necessary forces with this drive can only be realized with sufficiently strong, for example rare earth magnets. This requirement is always met with these magnets.
Die vorstehenden Ausführungen lassen erkennen, dass es zweckmäßig ist, die Bestromung der Spulen derart zu steuern, dass jeweils nur eine Spule Strom führt. Dadurch kann erreicht werden, dass der Strom in einer Spule genau dann aufgebaut wird, wenn sich der Antriebsmagnet im Bereich dieser Spule befindet.The above statements show that it is expedient to control the energization of the coils in such a way that only one coil carries current at a time. It can thereby be achieved that the current is built up in a coil exactly when the drive magnet is located in the area of this coil.
Eine Ansteuerung des Antriebs mittels Halbleiterschaltern ermöglicht die Vermeidung weiterer Verluste. Zur Erläuterung dieser Verbesserung wird wieder ausgegangen vom Linearantrieb nach Figur 8 der WO 00/63 556. Bei diesem Linearantrieb erzeugt das Magnetfeld einer der beiden Spulen nur dann eine Kraft- auf den Kolben, wenn sich der zugehörige Kolbenabschnitt im Bereich der jeweiligen Spule befindet. Die andere - bestromte - Spule ist in dieser Zeit unwirksam. Bei der üblichen gleichzeitigen Bestromung beider Spulen entstehen damit mehr Verluste in den Spulen als zur Krafterzeugung notwendig. Das gemeinsame Bestromen beider Spulen bedeutet darüber hinaus, dass die Ansteuerelektronik in der Lage sein muss, beide Polaritäten des Stromes ein- bzw. ab- zuschalten. Dieses erhöht nicht nur den Leistungsverlust sondern auch den Aufwand für die Ansteuerelektronik.Controlling the drive by means of semiconductor switches enables further losses to be avoided. To explain this improvement, the linear drive according to FIG. 8 of WO 00/63 556 is used again. With this linear drive, the magnetic field of one of the two coils only generates a force on the piston when the associated piston section is located in the area of the respective coil. The other - energized - coil is ineffective during this time. With the usual simultaneous energization of both coils, there are more losses in the coils than is necessary to generate the force. The common energization of both coils also means that the control electronics must be able to switch both polarities of the current on and off. switch. This not only increases the power loss but also the effort for the control electronics.
Bei einer zweiten Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe wird vorgeschlagen, dass jeder der Spulen nur eine Strompolarität zugeordnet wird, d. h. , einer Spule wird die positive, der anderen die negative Strompolarität zugeordnet. Z. B. können die beiden Polaritäten des 50 Hz-Netz-Wechselstromes auf die beiden Spulen "verteilt" werden. Dieses kann mit einem einfachen Thyristorsteller geschehen. Die Stromamplitude jeder Halbwelle lässt sich mittels einer einfachen kostengünstigen Phasenanschnittssteuerung einstellen, wie sie z. B. bei Bohrmaschinen bekannt ist.In a second solution to the problem according to the invention, it is proposed that only one current polarity is assigned to each of the coils, i. H. , one coil is assigned the positive, the other the negative current polarity. For example, the two polarities of the 50 Hz mains alternating current can be “distributed” to the two coils. This can be done with a simple thyristor controller. The current amplitude of each half-wave can be set by means of a simple, inexpensive phase-angle control, such as that used for. B. is known in drilling machines.
Das Eingangssignal für die Phasenanschnittssteuerung kann z . B .The input signal for the phase control can z. B.
für eine Pumpenapplikation (Druck, Netzspannung, -Anzahl der Stufen) fest vorgegeben,fixed for a pump application (pressure, mains voltage, number of stages),
von der Netzspannung abhängig gemacht,made dependent on the mains voltage,
von einem Sensor zur Bestimmung der Kolbenlage vorgegeben oderpredefined by a sensor for determining the piston position or
von einem Sensor zur Beobachtung der Ventilbewegung vorgegeben werden. Die Hubfrequenz des Kolbens ergibt sich in-- allen Fällen aus der Frequenz des zugeführten Wechselstromes .predefined by a sensor for monitoring the valve movement become. The stroke frequency of the piston results in all cases from the frequency of the alternating current supplied.
Die Vorteile dieser Maßnahmen bestehen zum einen darin, dass Verluste in den Spulen reduziert sind, da jeweils nur noch eine Spule bestromt wird. Auch die Ausbildung der Ansteuerelektronik ist einfacher, da ein gemeinsames Bestromen beider Spulen nicht mehr erfolgt.The advantages of these measures are, on the one hand, that losses in the coils are reduced since only one coil is energized at a time. The design of the control electronics is also simpler since the two coils are no longer energized together.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen an Hand von in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden.Further advantages and details of the invention will be explained with reference to the exemplary embodiments shown in FIGS. 1 to 3.
Es zeigenShow it
Figur 1 einen Schnitt durch eine Kolbenvakuumpumpe mit einem Antrieb nach der Erfindung,FIG. 1 shows a section through a piston vacuum pump with a drive according to the invention,
Figur 2 einen Teilschnitt in Höhe des Spaltrohres undFigure 2 is a partial section at the level of the can and
Figur 3 eine schematische Darstellung einer Pumpe nach der Erfindung mit Mitteln zur Stromversorgung der Antriebsspulen.Figure 3 is a schematic representation of a pump according to the invention with means for powering the drive coils.
Die Figuren zeigen jeweils eine Kolbenvakuumpumpe 1 mit einem Kolben 2 : Dieser weist Kolbenabschnitte 3 und 4 auf, deren freien Stirnseiten jeweils ein zylindrischer Schöpfräum 5 bzw. 6 zugeordnet ist. Der Kolben 2 und die Schöpfräume 5, 6 befinden sich in einem Gehäuse 7 mit Zylinderabschnitten 8, 9 für die Kolbenabschnitte 3,-4. -Die Werkstoffe der Zylindergleitflächen und -der zugehörigen Kolbenoberflächen sind in an sich bekannter Weise so gewählt, dass die Pumpe trocken, d. h. ohne Schmiermittel betrieben werden kann.The figures each show a piston vacuum pump 1 with a piston 2: This has piston sections 3 and 4, the free end faces of which are each assigned a cylindrical pump chamber 5 or 6. The piston 2 and the scoops 5, 6 are located in a housing 7 with cylinder sections 8, 9 for the piston sections 3, -4. The materials of the cylinder sliding surfaces and the associated piston surfaces are selected in a manner known per se so that the pump can be operated dry, ie without lubricants.
Dem Kolben 2 ist ein Linearantrieb zugeordnet. Er um- fasst kolbenseitig einen Permanentmagnetring 11, der den Kolben 2 in seinem mittleren Bereich umgibt. Der Permanentmagnetring 11 bewegt sich in einem dem Kolben 2 umgebenden Ringraum (Aussparung 12) . Statorseitig sind dem kolbenseitigen Permanentmagneten 12 weitere Permanentmagnetringe 13, 14 zugeordnet, die jeweils die axiale Begrenzung der ringförmigen Aussparung 12 bilden. In Höhe dieser Permanentmagnetringe enden auch die Zylinderabschnitte 8, 9.A linear drive is assigned to the piston 2. It comprises a permanent magnet ring 11 on the piston side, which surrounds the piston 2 in its central region. The permanent magnet ring 11 moves in an annular space surrounding the piston 2 (recess 12). On the stator side, the permanent magnet 12 on the piston side is assigned further permanent magnet rings 13, 14, which each form the axial delimitation of the annular recess 12. The cylinder sections 8, 9 also end at the level of these permanent magnet rings.
Statorseitige Bestandteile des Linearantriebs sind weiterhin die Spulen 15 und, 16. Sie werden teilweise von Jochbauteilen 17, 18 umfasst und umgeben gemeinsam mit diesen Jochbauteilen die Zylinderabschnitte 8 bzw. 9. Zwischen den Spulen 15, 16 und den Jochbauteilen 17, 18 befindet sich ein ringförmiges Mitteljoch 19, dessen Innenfläche dem Ringraum 12 zugewandt ist. Die Spulen 15, 16 werden so bestromt, dass die von ihnen erzeugten und von den Jochbauteilen 17 bis 19 geführten Magnetfelder mit den Magnetfeldern der Permanentmagnetringe 11, 13 und 14 in der gewünschten Weise in Wechselwirkung treten. Der Kolben 2 soll um seine Mittellage schwingen, so dass die Kolbenstirnseiten während dieser Bewegung ihre Pumpfunktion erfüllen können. Zur Erfüllung der gewünschten Pumpwirkung sind die-Kompressionsräume 5, 6 jeweils mit einem Einlassventil und einem Auslassventil ausgerüstet (nur in Figur 1 dargestellt) . Zu jedem der Einlassventile gehören eine Einlassöffnung 21 bzw. 22, die sich jeweils zwischen einer äußeren Einlasskammer 23 bzw. 24 und dem jeweiligen Schöpfraum 5 bzw. 6 befindet. Die Einlassöffnungen 21, 22 sind als schlitzförmige, sich radial erstreckende Durchbrechungen in der jeweiligen Zylinderwand 8 bzw. 9 ausgebildet. Die Kolbenabschnitte 3 und 4 geben die jeweilige Einlassöffnung frei, wenn sie eine ihrer beiden Totpunktlagen annehmen (jeweils in den Zylinderabschnitt zurückgezogene Stellung) . Die Auslassventile 26, 27 sind jeweils stirnseitig angeordnet. Ihre Ver- schlusselemente 28, 29 trennen den jeweiligen Kompressionsraum 5 bzw. 6 von einem Auslassraum 31, 32 so lange, bis sie vom jeweiligen Kolbenabschnitt 3 bzw. 4 - bei hohen Druckdifferenzen auch vom erzeugten Druck - geöffnet werden. Die Verschlusselemente 28, 29 sind als sich über den gesamten Querschnitt der Zylinderabschnitte 3, 4 erstreckende, flexible Teller ausgebildet, die zentral am Gehäuse 7 befestigt sind und peripher durch den erzeugten Druck oder durch die Stirnseiten des Kolbens 2 betätigt werden. Die Kolbenstirnseiten sind dazu konkav gestaltet. Die Stirnseiten der Bauteile, die die Zylinderabschnitte 8, 9 bilden, haben die Funktion der Ventilsitze.The stator-side components of the linear drive are also the coils 15 and 16. They are partially surrounded by yoke components 17, 18 and, together with these yoke components, surround the cylinder sections 8 and 9, respectively. Between the coils 15, 16 and the yoke components 17, 18 there is a annular center yoke 19, the inner surface of which faces the annular space 12. The coils 15, 16 are energized such that the magnetic fields generated by them and guided by the yoke components 17 to 19 interact with the magnetic fields of the permanent magnet rings 11, 13 and 14 in the desired manner. The piston 2 should swing about its central position so that the piston faces can perform their pumping function during this movement. To achieve the desired pumping action, the compression spaces 5, 6 are each equipped with an inlet valve and an outlet valve (only shown in FIG. 1). Each of the inlet valves has an inlet opening 21 or 22, which is located between an outer inlet chamber 23 or 24 and the respective scooping chamber 5 or 6. The inlet openings 21, 22 are designed as slot-shaped, radially extending openings in the respective cylinder wall 8 or 9. The piston sections 3 and 4 release the respective inlet opening when they assume one of their two dead center positions (each position retracted into the cylinder section). The outlet valves 26, 27 are each arranged on the end face. Their closure elements 28, 29 separate the respective compression space 5 or 6 from an outlet space 31, 32 until they are opened by the respective piston section 3 or 4 - at high pressure differences also from the pressure generated. The closure elements 28, 29 are designed as flexible plates which extend over the entire cross section of the cylinder sections 3, 4 and which are fastened centrally to the housing 7 and are actuated peripherally by the pressure generated or by the end faces of the piston 2. The piston faces are concave. The end faces of the components which form the cylinder sections 8, 9 have the function of the valve seats.
Insgesamt sind zwei Kompressionsstufen vorhanden. Sie können hintereinander oder parallel betrieben werden. Einzelheiten dazu sind nicht dargestellt. In- allen Figuren ist das Spaltrohr mit 34 bezeichnet. Es umgibt den Ringraum bzw. die Aussparung 12 und erstreckt sich bis in den Bereich der Statorpermanentmagnetringe 13, 14.There are a total of two compression levels. They can be operated in series or in parallel. Details of this are not shown. In all figures, the canned tube is designated 34. It surrounds the annular space or the recess 12 and extends into the area of the stator permanent magnet rings 13, 14.
Figur 2 zeigt, dass das Spaltrohr 34 zwei seitliche Abschnitte 35, 36 mit relativ kleiner Wandstärke und einen mittleren 7Λbschnitt mit größerer Wandstärke aufweist. Die Wandstärke der seitlichen Abschnitte 35, 36 liegt unter 1 mm, vorzugsweise 0,7 mm. Bei diesen Wandstärken tritt die gewünschte Sättigung durch den Antriebsmagneten 11 ein, wenn dieser sich in der Nähe der Abschnitte 35, 36 befindet. Die größere Wandstärke im mittleren Bereich ist nur dann erforderlich, wenn das Spaltrohr eine ausreichende mechanische Festigkeit haben muss .FIG. 2 shows that the can 34 has two lateral sections 35, 36 with a relatively small wall thickness and a central section with a larger wall thickness. The wall thickness of the lateral sections 35, 36 is less than 1 mm, preferably 0.7 mm. With these wall thicknesses, the desired saturation occurs through the drive magnet 11 when it is in the vicinity of the sections 35, 36. The larger wall thickness in the central area is only required if the can has to have sufficient mechanical strength.
Figur 3 zeigt die Vakuumpumpe 1 mit ihrem Linearantrieb nur stark schematisch. Zusätzlich dargestellt ist eine Ausführung für die erfindungsgemäße Stromversorgung der Spulen 15, 16. Über den Anschluss 41 wird Wechselstrom, vorzugsweise der Netzstrom mit 50 Hz, zwei Thyristorstellern 42, 43 zugeführt, von denen jeder mit einer Spule 15 bzw. 16 verbunden ist. Der Steller 42 lässt nur die positive, der Steller 43 nur die negative Halbwelle des Wechselstromes durch. Die Bestromung der Spulen erfolgt dadurch nicht mehr gleichzeitig, sondern abwechselnd mit jeweils nur einer der beiden Strompolaritäten. Die jeweils im Bereich der Stromzuführung und zwischen den Stellern 42, 43 und den Spulen 15, 16 dargestellten Strom/Zeit-Diagramme 44, 45, 46 lassen die erfindungsgemäße Stromversorgung der Spulen erkennen. Die Spulen 15, 16 sind zweckmäßig derart in den jeweiligen Versorgungskreis eingeschaltet, dass sie abstoßende Kräfte auf den Antriebsmagneten 11 ausüben. Der Kolben schwingt dadurch mit der Frequenz des zugeführten Wechselstromes um seine Mittellage.Figure 3 shows the vacuum pump 1 with its linear drive only very schematically. In addition, an embodiment for the power supply of the coils 15, 16 according to the invention is shown. Via the connection 41, alternating current, preferably the mains current at 50 Hz, is supplied to two thyristor actuators 42, 43, each of which is connected to a coil 15 or 16. The actuator 42 only allows the positive, the actuator 43 only the negative half-wave of the alternating current. As a result, the coils are no longer energized simultaneously, but alternately with only one of the two current polarities. The current / time diagrams 44, 45, 46 shown in the area of the power supply and between the actuators 42, 43 and the coils 15, 16 show the power supply of the coils according to the invention. The coils 15, 16 are expediently switched into the respective supply circuit in such a way that they exert repulsive forces on the drive magnet 11. As a result, the piston swings around its central position at the frequency of the alternating current supplied.
Die Permanentmagneten 13, 14 sind zweckmäßig derart magnetisiert, dass sie auf den Antriebsmagneten eine abstoßende Wirkung ausüben. Diese Lösung hat den Vorteil, dass mechanische Federn, die den Kolben in seine Mittellage zurück bewegen, entfallen können. The permanent magnets 13, 14 are expediently magnetized in such a way that they exert a repulsive effect on the drive magnets. This solution has the advantage that mechanical springs that move the piston back to its central position can be eliminated.

Claims

Schwingkolbenantrieb für eine Vakuumpumpe sowie Betriebsverfahren für diesen AntriebPATENTANSPRÜCHE Vibrating piston drive for a vacuum pump as well as operating procedures for this drive
1. Schwingkolbenantrieb für eine Vakuumpumpe (1)1. oscillating piston drive for a vacuum pump (1)
mit einem Kolben (2), der zwei Kolbenabschnitte (3, 4) und einen mittleren, mit einem Antriebsmagneten (11) ausgerüsteten Bereich aufweist,with a piston (2) which has two piston sections (3, 4) and a central area equipped with a drive magnet (11),
mit den Kolbenabschnitten (3, 4) zugeordneten Zylinderabschnitten (8, 9),with the cylinder sections (8, 9) assigned to the piston sections (3, 4),
mit einer zwischen den Zylinderabschnitten (8, 9) angeordneten, in Höhe eines Mitteljochs (19) befindlichen, ringförmigen Aussparung (12), die den Bewegungsraum des Antriebsmagneten (11) bildet, undwith an annular recess (12) arranged between the cylinder sections (8, 9) and located at the level of a central yoke (19), which forms the movement space of the drive magnet (11), and
mit einem elektromagnetischen, den Kolben (2) umgebenden Antrieb mit Jochbauteilen (17,. 18, 19) und seitlich vom Mitteljoch befindlichen Spulen (15, 16), dadurch gekennzeichnet, dass ein Spaltrohr (34) die Aussparung (12) peripher begrenzt.with an electromagnetic drive surrounding the piston (2) with yoke components (17,. 18, 19) and coils (15, 16) located on the side of the central yoke, characterized in that a can (34) delimits the recess (12) peripherally.
2. Antrieb nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Spaltrohr (34) aus einem Werkstoff mit guten Gleiteigenschaften, wie Kunststoff, Aluminium, Edelstahl o. dgl. besteht.2. Drive according to claim 1, characterized in that the can (34) consists of a material with good sliding properties, such as plastic, aluminum, stainless steel or the like.
3. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Spaltrohr (34) aus ferromagnetischem Werkstoff besteht.3. Drive according to claim 1, characterized in that the can (34) consists of ferromagnetic material.
4. Antrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Statorpermanentmagnete (13, 14) die Aussparung (12) in axialer Richtung und außerhalb des Mitteljochbereichs begrenzen und dass sich das Spaltrohr (34) bis in den Bereich dieser Statorpermanentmagnete (13, 14) erstreckt.4. Drive according to claim 3, characterized in that stator permanent magnets (13, 14) limit the recess (12) in the axial direction and outside the central yoke region and that the can (34) extends into the area of these stator permanent magnets (13, 14) ,
5. Antrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorpermanentmagneten (13, 14) derart magnetisiert sind, dass sie auf den Antriebsmagneten (11) eine abstoßende Kraft ausüben.5. Drive according to claim 4, characterized in that the stator permanent magnets (13, 14) are magnetized such that they exert a repulsive force on the drive magnet (11).
6. Antrieb nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke des Spaltrohres (34) zumindest außerhalb des Mitteljochbereichs so gewählt ist, dass der Antriebsmagnet (11) den jeweiligen Spaltrohrabschnitt (35, 36) bis zur Sättigung magnetisiert, wenn er sich in den Bereichen außerhalb des Mitteljochs (19) befindet. I6. Drive according to one of claims 3 to 5, characterized in that the wall thickness of the can (34) is selected at least outside the central yoke region so that the drive magnet (11) magnetizes the respective can section (35, 36) to saturation when he is in the areas outside the Mitteljochs (19). I
7. ! Antrieb nach Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet, dass das Spaltrohr (34) im Bereich des Mitteljochs (19) eine größere Wandstärke hat.7th! Drive according to claim 6, characterized in that the can (34) has a greater wall thickness in the region of the central yoke (19).
8. Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmagnet (11) ein Selten-Erd-Magnet ist.8. Drive according to one of the preceding claims, characterized in that the drive magnet (11) is a rare earth magnet.
9. Verfahren zum Betrieb eines Schwingkolbenantriebs mit den Merkmalen des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestromung der Spulen (15, 16) derart gesteuert wird, dass jeweils nur eine Spule Strom führt.9. A method for operating a vibrating piston drive with the features of claim 1, characterized in that the energization of the coils (15, 16) is controlled such that only one coil carries current.
10. Verfahren zum Betrieb eines Schwingkolbenantriebs für eine Vakuumpumpe (1)10. Method for operating a vibrating piston drive for a vacuum pump (1)
mit einem Kolben (2) , der zwei Kolbenabschnitte (3, 4) und einen mittleren, mit einem Antriebsmagneten (11) ausgerüsteten Bereich aufweist,with a piston (2) which has two piston sections (3, 4) and a central area equipped with a drive magnet (11),
mit den Kolbenabschnitten (3, 4) zugeordneten Zylinderabschnitten (8, 9),with the cylinder sections (8, 9) assigned to the piston sections (3, 4),
mit einer zwischen den Zylinderabschnitten (8, 9) angeordneten, in Höhe eines Mitteljochs (19) befindlichen, ringförmigen Aussparung (12) , die den Bewegungsraum des Antriebsmagneten (11) bildet, und mit einem elektromagnetischen, den Kolben- (2) umgebenden Antrieb mit Jochbauteilen (17, 18, 19) und seitlich vom Mitteljoch (19) befindlichen Spulen (15, 16),with an annular recess (12) arranged between the cylinder sections (8, 9) and located at the level of a central yoke (19), which forms the movement space of the drive magnet (11), and with an electromagnetic drive surrounding the piston (2) with yoke components (17, 18, 19) and coils (15, 16) located on the side of the central yoke (19),
dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgung der beiden Spulen (15, 16) mit Wechselstrom erfolgt und dass jeder der Spulen nur eine Strompolarität zugeführt wird.characterized in that the two coils (15, 16) are supplied with alternating current and that only one current polarity is supplied to each of the coils.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (15, 16) derart bestromt werden, dass sie abstoßende Kräfte auf den Antriebsmagneten ausüben.11. The method according to claim 10, characterized in that the coils (15, 16) are energized such that they exert repulsive forces on the drive magnet.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung der gewünschten Stromamplituden Thyristorsteller (42, 43) verwendet werden.12. The method according to claim 10 or 11, characterized in that thyristor controllers (42, 43) are used to set the desired current amplitudes.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromamplitude mittels einer Phasenanschnittssteuerung eingestellt wird.13. The method according to claim 12, characterized in that the current amplitude is set by means of a phase control.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingangssignal für die Phasenanschnittssteuerung für eine Pumpenapplikation (Druck, Netzspannung, Anzahl der Stufen) fest vorgegeben, von der Netzspannung abhängig gemacht, von einem Sensor zur Bestimmung der Kolbenlage vorgegeben oder ' - i von einem Sensor zur Beobachtung der Venfe-ilbe- wegung vorgegeben wird.14. The method according to claim 13, characterized in that the input signal for the phase control for a pump application (pressure, mains voltage, number of stages) is fixed, made dependent on the mains voltage, specified by a sensor for determining the piston position or '- i is specified by a sensor for observing the Venfe-il movement.
15. Nach Anspruch 13 oder 14 betriebener Schwingkolbenantrieb, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung der gewünschten Stromamplituden Thyristor-steller (42, 43) vorgesehen sind. 15. According to claim 13 or 14 operated oscillating piston drive, characterized in that for setting the desired current amplitudes thyristor actuator (42, 43) are provided.
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