DE2537367B2 - Lagerung eines axial durchfluteten Rotors für eine schnell rotierende Vakuumpumpe - Google Patents
Lagerung eines axial durchfluteten Rotors für eine schnell rotierende VakuumpumpeInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf die Lagerung eines axial durchfluteten Rotors für eine schnell rotierende
Vakuumpumpe, die aus einem in einem zylindrischen Gehäuse mit Ansaug- und Ausstoßöffnung angeordneten
Stator und einem durch eine passive Magnetlagerung zentrierten und bezüglich seiner mittels Fühler
festgestellten axialen Lage aktiv durch eine zugeordnete magnetische Steuereinrichtung festgehaltenen und
gesteuerten Rotor besteht.
Bei einem Rotor müssen bekanntlich fünf Freiheitsgrade fixiert werden. Bekannt sind Magnetlagerungen
für zumindest abschnittweise ferromagnetische Rotoren, welche über geeignete Sensoren und Elektromagneten
als Stellglieder alle Freiheitsgrade festlegen. Diese Lösungen erfordern einen hohen Aufwand an
Steuerelektronik.
Bekannt sind auch Magnetlager, welche zwei Freiheitsgrade gleichzeitig fixieren. Durch eine geeignete
Anordnung von Permanent- oder Elektromagneten läßt sich hierbei ein stabiles Radiallager verwirklichen.
Jedoch wirken solche Lager in axialer Richtung destabilisierend, und es sind dann die axiale Stabilität
wieder herstellende Regeleinrichtungen erforderlich. Weiterhin ist eine berührungsfreie, axial stabilisierte und
radial zentrierte Lagerung einer rotierenden Welle mit jedem Wellenende zugeordneten, mittels magnetischen
Kräften arbeitenden radial zentrierenden Lagern und mit einem elektromagnetischen Servomechanismus zur
axialen Stabilisierung bekannt. Bei ihrer Anwendung auf einflutige Turbovakuumpumpen ergeben sich Schwierigkeiten
bei der Demontage, falls der elektromagnetische Servomechanismus auf einer Seite des Rotors
zusammengefaßt wird, um Spulen im Hochvakuum zu vermeiden.
Für die radiale Lagerung und Stabilisierung eines Rotors sind schon verschiedene Möglichkeiten bekannt;
eine davon ist in DE-OS 21 37 850 beschrieben worden. Meist wird sie mittels eines gehäusefesten Magneten,
ίο dem eine auf dem Rotor befestigte Ankerscheibe
gegenübersteht, bewerkstelligt Was magnetisch aktiv gesteuerte Axiallagerungen betrifft, so sind solche für
Motoren in den DE-OS 23 37 226, 23 49 033 und 24 57 783 vorgeschlagen worden. Sie sind im Prinzip
auch für axialdurchflutete Rotoren für schnell rotierende Vakuumpumpen geeignet. Die Steuerung erfolgt
dabei z. B. mittels Elektromagneten, die an den Stirnseiten des Pumpengehäuses befestigt sind, denen
an den Wellenenden des Rotors befestigte Blechpakete als Anker gegenüberstehen, oder es wird mit der
Rotorwelle ein Elektromagnet verbunden und ein gehäusefester Flansch aus einem magnetischen Werkstoff
als Anker vorgesehen. In DE-OS 24 57 783 wird vorgeschlagen, anstelle eines elektromagnetischen
Stellgliedes für die axiale Rotorlage ein elektrodynamisches zu verwenden und in DE-AS 22 10 995 wird
angeregt, auf dem Stator Wicklungen derart anzuordnen, daß in axialer, radialer oder tangentialer Richtung
passende K räfte auf den Rotor ausgeübt werden, um ihn
jo anzutreiben oder zu lagern.
Die vorliegende Erfindung beschreibt ein konkretes derartiges System zum Einhalten und zur Steuerung der
Axiallage des axialdurchfluteten Rotor einer schnell rotierenden Vakuumpumpe. Sie löst durch eine
J5 Ausbildung gemäß Patentanspruch 1 die Aufgabe, eine
Rotorlagerung für eine Pumpe der oben erwähnten Gattung anzugeben, die keine Spulen und elektrischen
Durchführungen auf der Ansaugseite erfordert. Vorteile bietet die Erfindung oft auch dadurch, daß sie den
4(i Ansaugquerschnitt der Pumpe nicht nennenswert
verringert, einen geringen Aufwand an Regel- und Stellgliedern benötigt sowie eine querkraftfreie axial
stabile Lagerung ermöglicht und die Pumpe leicht demontiert werden kann.
Die erfindungsgemäße axiale Lagestabilisierung mit Hilfe einer Spule in einem radialen Magnetfeld beruht
darauf, daß der Kraftvektor senkrecht zur Stromrichtung in der Spule und senkrecht zum Magnetfeld steht.
Die Kraft wird also gerade in der Richtung erzeugt, in der eine ungehinderte Relativbewegung zwischen
Magnetsystem und Spule möglich ist.
Bei Umkehr der Stromrichtung kehrt sich auch die Kraftrichtung um. Bei der erfindungsgemäßen Pumpe,
bei welcher die stromdurchflossene Spule gehäusefest
r>5 und die das Radialfeld erzeugende, mit dem Rotor
verbundene Magnetanordnung in axialer Richtung beweglich ist, wird die elektrodynamische Kraft dazu
ausgenutzt, um eine Richtkraft auf den Rotor in axialer Richtung zu erzielen entsprechend der Stromrichtung in
bo der Spule, ohne daß störende Radialkräfte ausgeübt
werden. Die Rotation der Magnetanordnung hat dabei keinen Einfluß auf die in axialer Richtung wirksame
elektrodynamische Kraft.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß
bi sie bei Verwendung eines kollektorlosen Antriebsmotors
mit einem mit Permanentmagneten bestückten Läufer ermöglicht, den Läufer als einen mit dem im
Anspruch 1 erwähnten Magnetjoch verbundenen,
Permanentmagnete tragenden Außenläufer auszubilden und die Spule und den hülsenförmig ausgebildeten
Stator des Antriebsmotors koaxial hintereinander anzuordnen und zu einer ausstoßseitig im Gehäuse
gehalterten Baugruppe zusammenzufassen, so daß diese dann ohne Eingriffe auf den Rotor oder Stator der
Pumpe unzerlegt aus dem Pumpengehäuse ausgebaut werden kann.
Für die radiale Lagerung können an sich bekannte Schneidenlager angewendet werden. Diese bieten den
Vorteil, daß die Welle kurz und das polare Trägheitsmoment relativ zu den anderen Hauptträgheitsmomenten
groß gemacht werden kann. Durch ein solches Lagersystem, bestehend aus einem Schneidenlager auf
der Ansaugseite, einem Schneidenlager auf der Ausstoßseite und dem elektrodynamischen Stellglied des
erfindungsgemäßen Axial-Regelungs-Systems, kann der
Rotor in jeder axialen Lage festgehalten werden, die durch das Spiel zwischen den Schneiden erlaubt ist. Die
axiale Lage wird dabei von einem Fühler festgestellt, dessen Signal mit einem Sollwert verglichen wird. Die
Regelabweichung wird verstärkt und der Spule des Regelsystems zugeführt.
Es sei noch bemerkt, daß ein Vorteil der Erfindung auch darin liegt, daß man mit einem geringen
Energieaufwand für die Einstellung des Stellgliedes für die axiale Stabilisierung auskommt, wenn d -· radiale
Lagerung in an sich bekannter Weise so ausgebildet wird, daß die auf der Ansaugseite und der Ausstoßseite
angeordneten passiven, aus Permanentmagneten und Jo einem Eisenjoch bestehenden gehäusefesten Lagerelemente
die Rotorwelle in einer stabilen radialen Lage halten und gleichzeitig eine axiale Zugkraft auf die
Welle ausüben. Eine solche Anordnung besitzt dann einen Punkt labilen Gleichgewichtes in axialer Richtung.
Wird der Rotor durch das auf der Ausstoßseitc der Pumpe angeordnete elektrodynamische Stellglied in
dem erwähnten Punkt festgehalten, ergibt sich ein minimaler Energieaufwand für die axiale Stabilisierung.
In der nachfolgenden Beschreibung soll an Hand der <to
Zeichnung am Beispiel einer einflutigen Turbovakuumpumpe mit senkrecht stehendem Rotor das Wesen der
Erfindung näher erläutert werden.
Im zylindrischen Gehäuse 1 mit einer Ansaugöffnung 2 und einer Ausstoßöffnung 3 ist der Stator der Pumpe
bestehend aus Leiträdern 4, welche Schaufelkränze tragen und durch Distanzringe 5 auf Abstand gehalten
werden, befestigt. Der Rotor bestehend aus der Welle 6 und den ebenfalls Schaufelkränze tragenden Laufrädern
7 bildet mit dem Stator das eigentliche Pumpsystem. Am oberen Teil des Rotors ist eine ferromagnetische
Polschuhanordnung mit Ringschneiden 8 befestigt, die einer entsprechend ausgebildeten gehäusefesten Polschuhanordnung
9 mit Permanentmagneten to gegenübersteht und mit dieser zusammen das obere passive r>5
Lager bildet, welches den Rotor durch die Geometrie der Polschuhe zentriert und gleichzeitig eine Anzugkraft
auf ihn ausübt. Eine ähnliche Anordnung mit Ringschneiden 11 und 12, und den Magneten 13 befindet
sich am unteren Ende des Rotors und bildet das zweite w>
passive Lager, welches ebenfalls zentriert und eine axiale Zugkraft auf den Rotor ausübt. Der Rotor trägt
weiter auf der Ausstoßseite des Pumpsystems eine in einem Magnetjoch 14 gefaßte Magnetanordnung 15,
welche ein radiales Feld in dem zylindrischen, mit der t>r>
Rotorwelle 6 koaxialen Luftspalt 16 erzeugt. In diesen Luftspalt taucht eine zylindrische gehäusefeste Spule 17
ein und bildet ein elektrodynamisches System, welches über den Sensor 18 geregelte, ausschließlich axiale
Kräfte auf den Rotor ausübt. Bei Stromdurchgang erzeugt die Spule 17 je nach Richtung des Stroms eine
axiale Zug- oder Druckkraft auf den Rotor. Bei der vorliegenden Anordnung der passiven Lager gibt es für
den Rotor eine Lage, die dadurch ausgezeichnet ist, daß sich die axialen Kräfte auf den Rotor durch die passiven
Lager einschließlich der Schwerkraft kompensieren, d.h. der Rotor befindet sich im Punkt labilen
Gleichgewichts, welches in Richtung dieser Auswanderung liegt, den Rotor an. Mit Hilfe des Sensors 18 für die
Axiallage des Rotors wird das elektrodynamische System jedoch gesteuert, so daß es der Auslenkung des
Rotors aus dem Punkt labilen Gleichgewicht entgegenwirkt.
Zur Vermeidung von axialen Schwingungen des Rotors kann das elektrodynamische System auch
gedämpft gesteuert werden, entweder durch elektronische Mittel oder zusätzliche Sensoren weiche die
Geschwindigkeit der Schwingungen erfassen. Radiale Bewegungen z. B. Präzessionbewegungen des Rotors
werden durch die beschriebene Anordnung der ferromagnetischen Abschnitte auf dem Rotor gedämpft,
da bei radialen Auslenkungen der ferromagnetischen Polschuhe aus dem Feld des gehäusefesten Permanentmagneten
diese Bewegung dämpfende Wirbelströme induziert werden. Zur verstärkten Bedämpfung von
Radialbewegungen können zusätzliche über entsprechende Sensoren gesteuerte Dämpfungselemente 19
angeordnet sein.
Diese Ausführung der Lagerung erlaubt auch den Betrieb der Pumpe bei waagrecht liegendem Rotor,
wenn die Permanentmagnete der passiven Lager entsprechend stark ausgelegt sind, so daß die zentrierenden
Komponenten in der Lage sind, das Rotorgewicht zu tragen.
Zur Vermeidung von Berührungen des Rotors und des Stators können zweckmäßig radiale uno axiale
Anschläge vorgesehen werden, die nur begrenzte Auslenkungen des Rotors zulassen und bei Ausfall der
Magnetlagerung als Notlager wirken, in denen der Rotor auslaufen kann.
Bei der gezeichneten Ausführung wirken die konusförmigen
Lagerbuchsen 20 und 21 als Anschläge sowohl in radialer als auch axialer Richtung.
Die Magnetanordnung des elektrodynamischen Systems welche das radiale Magnetfeld erzeugt, ist auf der
inneren Mantelfläche eines mit dem Rotor verbundenen topfförmigen Jochs 14 mit zentralem Zapfen 22
befestigt. Diese Ausführung besitzt bei Verwendung von mehreren Einzelmagneten für die Magneianordnung
den Vorteil, daß die Magnete durch die Fliehkraft an die Wand gedrückt werden. Der Mantel des Jochs ist nach
unten erweitert und nimmt die Magnetanordnung 23 eines an sich bekannten kollektorlosen Gleichstrommotors
auf, der vorzugsweise mit eisenfreier Wicklung ausgeführt wird, damit vom Motor keine Radialkräfte
auf den Rotor der Pumpe ausgeübt werden. Das Wicklungspaket 24 des Antriebsmotor und die Spule 17
des elektrodynamischen Systems sind als Baugruppe zusammengefaßt, die unzerlegt aus dem Gehäuse der
Pumpe nach unten ausgebaut werden kann. In diese Buigruppe können z. B. auch die Sensoren für die axiale
und radiale Lage des Rotors und eventuelle aktive Bauteile von Dämpfungsvorrichtungen integriert sein.
Hierzu I 1>Ί»ι
Claims (2)
1. Lagerung eines axial durchfluteten Rotors für eine schnell rotierende Vakuumpumpe bestehend
aus einem in einem zylindrischen Gehäuse mit Ansaug- und Ausstoßöffnung angeordneter Stator
und mit einem durch eine passive Magnetlagerung zentrierten und bezüglich seiner mittels Fühler
festgestellten axialen Lage aktiv durch eine zugeordnete magnetische Steuereinrichtung festgehaltenen
und gesteuerten Rotor, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Ausstoßöffnung
des Gehäuses zum Einhalten und zur Steuerung der Axiallage des Rotors Permanentmagnete (15) an der
inneren Mantelfläche eines einen Teil des Rotors bildenden, einen zentralen Zapfen (22) aufweisenden
topfförmigen Magnetjoches (14) angeordnet sind, die Magnete im wesentliche.· ein radiales Magnetfeld
erzeugen und daß eine gehäusefeste, zur Rotorachse konzentrische, in das radiale Feld der
Permanentmagnete (15) eintauchende Spule (17) vorgesehen ist, der eine Regeleinrichtung zur
Regelung des die Spule durchfließenden Stromes in Abhängigkeit von der axialen Rotorlage zugeordnet
ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1 mit einem kollektorlosen Motor mit einem mit Permanentmagneten
bestückten Läufer, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer des Antriebsmotors als ein mit
dem Joch (14) verbundener, Permanentmagnete tragender Außenläufer ausgebildet ist, und die Spule
(17) und der linsenförmig ausgebildete Stator (24) des Antriebsmotors koaxial hintereinander angeordnet
zu einer ausstoßseitig im Gehäuse gehalterten Baugruppe zusammengefaßt sind.
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8281 | Inventor (new situation) |
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