CN1656318A - 两轴真空泵 - Google Patents

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Abstract

两轴真空泵通常由异步马达驱动。设置成鼠笼式转子的异步马达转子相对较重和较长，因此必须由支承轴承支承。本发明的目的是提供一种具有简化驱动马达的两轴真空泵。本发明的两轴真空泵(10)包括作为驱动马达(20)的同步马达，其中，马达转子(26)为永久性励磁。永久性励磁的马达转子(26)较小且重量较轻，从而可以省略转子支承轴承。因此，可以消除与支承轴承的冷却和润滑相关的问题。

Description

两轴真空泵
技术领域
本发明涉及包括两个轴的两轴真空泵。
背景技术
旋转柱塞泵(也称为罗茨(Roots)泵)通常为两轴真空泵。Roots泵的两个轴包括旋转柱塞，该旋转柱塞在不彼此接触的情况下滑移。两个轴中的一个由电驱动马达驱动，而另一个轴通过齿轮而与驱动轴同步。在泵送操作过程中，旋转柱塞由于气体压缩而进行较强加热。
实际上，只有异步马达用作驱动马达。布置在驱动轴上的异步马达的马达转子设置为所谓的鼠笼式转子。设置为鼠笼式转子的马达转子有相对较大质量和轴向总长度。由于必然形成的较大不平衡力和由不平衡力产生的振动，驱动轴必须由在驱动马达区域中的至少一个支承轴承来支承。特别是，由于布置在真空泵的气密密封区域中，支承轴承的冷却和润滑成为问题，只能在很高力和花费的情况下实现。
由DE-A-3828608(它表示了如权利要求1的前序部分所述的现有技术)可知，已知真空旋转柱塞泵由同步马达驱动。马达转子的具体结构并没有介绍。同步马达通常并不适用于真空泵，因为马达转子通过生热的滑动接触来单独励磁。永久性励磁的同步马达转子不合适，因为它由于恒定转子励磁而提供相对于转速保持恒定的扭矩，且在较高转速时可能产生泵转子的过热。实际上，同步马达因此并不用于驱动真空泵。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进驱动的两轴真空泵。
根据本发明，该目的通过权利要求1的特征来实现。
根据本发明，驱动马达是同步马达，其中，转子设置成这样，即它通过永磁体来永久性励磁(excited)。同步马达的永久性励磁转子由于恒定的较强磁场和较低功率损失而具有较小质量和较小总长度。因此，用于附加支承驱动轴的所有轴支承轴承都可以省略，从而消除了与支承轴承的冷却和润滑相关的问题。
由于在永久性励磁的转子中的较低功率损失，因此转子的变热和与所述变热相关的问题也都减小。
而且，提供了同步马达功率限制装置，该功率限制装置在高于固定额定马达转速的限制范围内将马达功率限制为固定的最大马达功率。在转速高于额定转速时，功率限制装置将驱动功率限制为恒定值。这通过在轴转速高于额定转速时减小扭矩来实现。
马达功率由以下等式得出：
PM＝MM×ω
其中，
ω＝2π·n，
PM是马达功率，
MM是在转速n时的马达扭矩，
n是马达转速。
在限制范围内中的扭矩降低将保证泵能够在8000转每分钟的高转速下工作，但是泵送能力限制为恒定的最大值。旋转柱塞的散热能力受到较低气体压力和结构的限制。通过限制马达功率并因此限制泵送能力，同时并不限制转速，能够可靠防止真空泵的过热，特别是旋转柱塞的过热，同时保持较高气体容积流量。在限制范围内，同步马达在所谓的场削弱范围内工作。
永久性励磁的马达转子的磁通恒定，因此，只能通过相应控制定子场来改变马达扭矩。
在实际用途中，永久性励磁的马达转子至今还没有用于真空泵中，因为根据工作原理，扭矩在整个转速范围内保持恒定，因此在高速时有由于压缩热(该压缩热随转速而增加)而使得转子过热的危险。考虑到这些缺点，至今仍然认为永久性励磁的同步马达不能用于驱动真空泵。由于在限制范围内通过场削弱工作而引起的马达功率限制，马达转子的压缩产生热量在较高转速时限制为恒定值。只有这样才使得永久性激励的同步马达的使用成为可能和切合实际，其中，可以使用马达的最大扭矩，直到达到限制范围。
根据优选方面，在限制范围内，功率限制装置将定子电场和马达磁场之间的相位角调节为不等于90度的角度。定子电场的相位相对于转子磁场进行调节，从而相应减小扭矩。
也可选择或者作为补充，在限制范围内，功率限制装置减小定子电流量，这也减小了扭矩MM，该扭矩MM与定子电流成正比。
根据优选方面，在限制范围内，功率限制装置将相位角和/或定子电流调节为转速的函数。在额定转速和最大转速之间的限制范围内，随着转速增加，相位角和/或定子电流改变，从而使扭矩随转速增加而减小至这样的程度，即高于额定转速时，马达功率总是几乎恒定。因此，可以利用最大允许马达功率，但是在任何转速都不会超过。从而防止真空泵过热。
根据优选方面，包括马达转子的轴为悬臂结构，且在马达侧端部没有支承轴承的情况下进行支承。轴只通过布置在泵转子两个纵向端处的两个主轴承支承。因此省略了用于冷却和润滑马达支承轴承所需的结构。
优选是，马达转子包括布置在马达转子本体外侧上的多个永磁体。也可以是，一个或多个永磁体布置在马达转子本体的相应凹口内。
优选是，马达转子包括非磁性材料的转子套，特别是用于操作可能损害马达材料的气体时，该转子套在外部包围马达转子本体和永磁体。因此，布置在马达转子本体外部的永磁体将固定并防止任何侵蚀性气体和液体的损害，从而防止腐蚀。转子套可以由非磁性材料或塑料材料制成。
根据优选方面，非磁性材料的罩布置在定子侧，该罩使转子相对于定子气密密封。该罩由非磁性材料或塑料材料制成。该罩使泵区域相对于周围气密密封，其中，马达转子位于泵区域中，马达定子位于泵区域外部。由于使用永久性励磁的同步马达，在转子和定子之间的间隙可以相对较大。这有利于***罩。
根据优选方面，保持罩的泵盖体和环绕马达定子的定子壳体形成一体。该结构减少了部件数目和接头数目。
优选是，永磁体由稀土制成。通过稀土永磁体，可以在较小总长度的情况下实现长时间的较强磁场。
附图说明
下面参考附图详细介绍本发明的实施例，附图中：
图1表示了两轴真空泵的纵剖图；
图2详细表示了图1中所示的真空泵的驱动马达；以及
图3表示了图1和2中所示的真空泵通过4.8kW驱动马达而获得的马达功率、马达扭矩、真空泵的泵力矩特征曲线和泵送能力的示意图。
具体实施方式
图1表示了两轴真空泵10，该两轴真空泵10设置为包括两个转子轴12、14的旋转柱塞泵。各转子轴12、14包括泵转子16、18，该泵转子16、18构成为旋转柱塞。一个转子轴14由电驱动马达20驱动，而另一个轴12由通过两个齿轮22、23形成的齿轮24来驱动，并与该一个转子轴14同步。
驱动马达20是同步马达，主要包括永久性励磁的马达转子26以及具有多个定子线圈30、31的马达定子28。
在图2中以放大图表示了马达转子26的结构：马达转子26包括罐形转子本体34，该转子本体34在它的外周上提供有多个凹口36，稀土永磁体38胶粘在各个凹口36内。转子26的整个外周由非磁性材料的柱形转子套40包围。即使在高转子转速下，转子套40也使永磁体38保持在凹口36内，且该转子套40使永磁体38可靠屏蔽腐蚀性气体和液体。转子套40由非磁性高等级钢制成，不过它也可以由碳纤维增强的塑料材料或其它非磁性材料制成。转子本体34可以为层压或实心结构。罐形罩42布置在转子26和定子28之间，该罐形罩42安装在马达壳体44上并在定子侧。该罩相对于定子28气密密封马达转子26。罩42由非磁性高等级钢制成，但是也可以由碳纤维增强塑料材料或其它非磁性材料制成。
因为同步马达转子的结构为通过永磁体38而永久性励磁，因此马达转子26具有较小的轴向总长度和较小质量。这使得承载马达转子26的轴14能够只通过两个泵转子滚动轴承46、47来支承，且它的马达侧端部将构成为没有支承轴承。因此，马达转子26为完全悬臂式结构。
马达壳体44构成为一个零件，并包括保持罩42的泵盖体48和环绕马达定子28的定子壳体50。泵盖体48保持罩42，并相对于外部气密密封吸入室52。在布置于马达壳体44外部的壳体54中装有马达控制器56。马达控制器56控制定子线圈30、31的供给。
马达控制器56包括同步马达功率限制装置58，该功率限制装置58在高于固定额定马达转速nN时将马达功率PM限制为固定的最大马达功率PMmax，如图3所示。因此，最大泵送能力限制为一个最大值。这是防止马达转子16、18过热所需。马达控制器56还包括变频器，用于起动驱动马达和控制转速。
马达功率P由以下等式获得：
PM＝ω·MM
其中，ω＝2π·n，n是转速，MM是马达扭矩。因此，当增加转速时，只有通过降低马达扭矩MM来进行马达功率限制。
在额定转速nN(在该额定转速时达到最大马达功率PMmax)和最大转速nmax之间的转速范围称为限制范围。因为由永久性励磁的马达转子26产生的磁通总数恒定，因此，在限制范围内的扭矩只能通过相应控制定子线圈30、31来获得。因此，在限制范围内，定子线圈30、31控制成使得扭矩随转速的增加而减小，并与该转速成反比。在限制范围内，驱动马达20在所谓的削弱场范围内工作。
因此，在限制范围内，定子电流根据扭矩减小需要来减小。也可选择或者作为补充，在限制范围内，功率限制装置58可以将在马达磁场和定子电场之间的相位角调节成不等于90°。在限制范围内，马达电流和/或相位角的控制总数作为转速的函数来实现。
图3表示了由于摩擦损失等，马达扭矩MP和泵送能力PP总是分别稍微低于马达扭矩MM和马达功率PM。当正确计算和调节最大泵送能力和马达功率时，可以防止泵转子的过热。
尽管已经参考特别表示的本发明实施例来介绍和表示了本发明，但是本发明并不局限于所示实施例。本领域技术人员应当知道，在不脱离由下面的权利要求确定的本发明真正范围的情况下，可以进行变化和改变。因此，所有这些变化和改变都将包含在本发明中，因为它们落在附加权利要求和它们的等效物的范围内。

Claims (10)

1.一种两轴真空泵，包括两个轴(12、14)，其中，一个轴(14)由电驱动马达(20)驱动，并包括马达转子(26)，该驱动马达(20)是同步马达，其中，
马达转子(26)进行永久性励磁；以及
提供了同步马达功率限制装置(58)，该功率限制装置在高于固定额定马达转速(nN)的限制范围内将马达功率(PM)限制为固定的最大马达功率(PMmax)。
2.根据权利要求1所述的两轴真空泵，其中：在限制范围内，功率限制装置(58)将定子电场和马达磁场之间的相位角调节为不等于90°的角度。
3.根据权利要求1所述的两轴真空泵，其中：在限制范围内，功率限制装置(58)减小定子电流。
4.根据权利要求1所述的两轴真空泵，其中：在限制范围内，功率限制装置(58)将定子电场和马达磁场之间的相位角和/或定子电流调节为转速的函数。
5.根据权利要求1所述的两轴真空泵，其中：被驱动的转子轴(14)为悬臂结构，且在马达侧端部没有支承轴承的情况下进行支承。
6.根据权利要求1所述的两轴真空泵，其中：马达转子(26)包括布置在马达转子本体(34)外侧上的多个永磁体(38)。
7.根据权利要求6所述的两轴真空泵，其中：马达转子(26)包括非磁性材料的转子套(40)，该转子套在外部包围马达转子本体(34)和永磁体(38)。
8.根据权利要求1所述的两轴真空泵，其中：在定子侧提供了非磁性材料的罩(42)，该罩使马达转子(26)相对于马达定子(28)气密密封。
9.根据权利要求8所述的两轴真空泵，其中：保持所述罩(42)的泵盖体(48)和环绕马达定子(28)的定子壳体(50)形成一体。
10.根据权利要求7所述的两轴真空泵，其中：转子的永磁体(38)由稀土制成。
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