DE2554995C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine magnetische Lagerung für den Rotor einer Turbo-Vakuumpumpe nach dem Oberbegriff des ersten Patentanspruches des Hauptpatentes P 24 57 783.

Aus der DE-PS 25 37 367 ist eine axial durchflutete schnell rotierende Vakuumpumpe bekannt, in deren zylin­ drischem Gehäuse Rotor und Stator angeordnet sind. Der Rotor wird durch eine magnetische Lageranordnung zentriert, wobei die radiale Zentrierung durch passive Magnetlager erfolgt und die axiale Lage durch eine elektronische Regeleinrichtung stabilisierung wird.

Bei einer Turbo-Vakuumpumpe trägt der Rotor bekanntlich Scheiben mit schrägen Schlitzen, wodurch Schaufeln gebildet werden. Diesen stehen jeweils im Gehäuse befestigte Scheiben mit entgegengesetzt verlaufenden Schlitzen gegenüber.

Gegenstand des Hauptpatentes ist eine Magnetlageranordnung, bei der auf den zu lagernden Rotor in der Axialrichtung Zug­ kräfte ausgeübt werden. Gemäß dem dortigen Vorschlag enthält das erste Magnetlager wenigstens einen Permanentmagneten, der sich vorzugsweise auf dem Stator befindet, und auf dem Rotor sind entweder weichmagnetische Teile und/oder perma­ nentmagnetische Teile vorgesehen. Diese Lagerteile stehen sich in koaxialer Ausbildung gegenüber, so daß durch die zwischen Stator und Rotor bestehende Zugkraft auch eine ra­ diale Stabilisierung zustandekommt. Das zweite Lager enthält einen aktiv geregelten, auf dem Stator angeordneten Elektro­ magneten, wobei dem Magnetfeld dieses Elektromagneten noch das Feld eines Permanentmagneten überlagert sein kann. Auf der Rotorseite sind wieder permanentmagnetische und/oder weichmagnetische Bauteile vorgesehen, die koaxial ausgebil­ det sind und den entsprechend ausgebildeten Statorteilen unter Erzeugung einer Zugkraft gegenüberstehen. Mittels eines die axiale Lage des Rotors erfassenden Sensors wird die resultierende Zugkraft durch Regelung des Elektromag­ neten geändert. Zur weiteren radialen Stabilisierung des Rotors wird außerdem noch die Verwendung eines vorzugs­ weise aktiv geregelten Dämpfungskreises vorgeschlagen.

Gemäß einem weitergehenden Vorschlag wird im Hauptpatent diese Lagerung zur Lagerung des Rotors einer Turbo-Vakuum­ pumpe vorgeschlagen, wobei das rein passive Lager auf der Ansaugseite und das geregelte Lager, der Sensor, der Dämp­ fungskreis und gegebenenfalls ein integrierter Antriebsmotor auf der Ausgangsseite der Pumpe angeordnet werden.

Es ist im Hauptpatent auch schon der Gedanke dargelegt, daß zur Stabilisierung des Rotors das Trägheitsmoment des Rotors um die Laufachse (polares Trägheitsmoment) größer gemacht werden soll als das Trägheitsmoment um eine dazu senkrechte Achse (äquatoriales Trägheitsmoment).

Derartige magnetische Lagerungen sind im Gegensatz zu bei­ spielsweise Kugellagern relativ weich. Daher kann der Rotor verschiedenartige unerwünschte Schwingungen ausführen. Diese entsprechen den Bewegungsmöglichkeiten eines schwach gefes­ selten Kreisels. Eine Schwingung, die besonders stören kann, ist die Nutationsschwingung. In erster Annäherung läßt sich die Nutationsfrequenz wie folgt berechnen:

f _N = f _R · I _R /I _q (1)

Dabei bedeuten f _N die Nutationsfrequenz, f _R die Umlauffre­ quenz, I _R das Trägheitsmoment um die Rotationsachse und I _q das Trägheitsmoment um die Querachsen, wobei unter Querachse eine senkrecht zur Rotationsachse stehende und durch den Schwerpunkt gehende Achse zu verstehen ist.

Bei den bisher bekannten Ausführungen von magnetisch gela­ gerten Turbo-Vakuumpumpen ist das Trägheitsmoment des Rotors um die Querachse wesentlich größer als das Trägheitsmoment um die Rotationsachse. Dies bedeutet, daß die Nutations­ frequenz unterhalb der Umlauffrequenz liegt. Infolge der durch die Magnetlagerung gebildeten Fesselung liegt die Nutationsfrequenz bei kleinen Drehzahlen zunächst etwas über der Umlauffrequenz. Beim Hochfahren muß daher die Nutationsfrequenz durchfahren werden, wobei sich eine star­ ke Resonanz ausbildet. Diese Resonanz wird im allgemeinen durch elektronische Mittel gedämpft.

Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, ausgehend von der eingangs beschriebenen Lösung eine Turbo-Vakuumpumpe mit hohem Saugvermögen und hohem Druckverhältnis so zu ge­ stalten, daß Dämpfungsmittel gegen die durch Nutation ent­ stehenden Resonanzschwingngen des Rotors entfallen bzw. reduziert werden können.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Rotorscheiben, die sich in Schwerpunktnähe des Rotors be­ finden, einen größeren Durchmesser als die Rotorscheiben an der Ausgangsseite aufweisen, dagegen jedoch dickere und/oder kürzere Schaufeln besitzen.

Eine solche Ausbildung führt dahin, daß die Nutationsfre­ quenz immer oberhalb der Umlauffrequenz liegt und daher nicht durchfahren werden muß.

Nachstehend sind die einzelnen Merkmale geschildert, die eine weitere Verbesserung des Rotors bewirken. Um das Träg­ heitsmoment um die Querachse möglichst niedrig zu halten, soll der Rotor möglichst kurz sein. Die Länge des Rotors bestimmt sich aus der Anzahl der Scheiben und deren Dicke in axialer Richtung. Die erforderliche Anzahl ist durch das erwünschte Druckverhältnis vorgegeben. Lediglich die Dicke der Scheiben kann in gewissen Grenzen, die durch das gewünschte Saugvermögen bestimmt wird, variiert werden. Da das Saugvermögen im wesentlichen durch die in Strömungs­ richtung ersten Scheiben bestimmt wird und dünne Scheiben geringeres Saugvermögen haben, wird wenigstens die erste Scheibe wesentlich dicker ausgeführt als die folgenden. Außerdem macht man die Schaufeln so lang und dünn, wie es fertigkeitsmäßig und fertigungstechnisch möglich ist, um ein optimales Saugvermögen zu erzielen.

Um ein hohes Trägheitsmoment um die Laufachse zu erhalten, werden die Scheiben in Schwerpunktnähe bei möglichst glei­ chem Durchmesser wie die Scheiben auf der Eingangsseite mit möglichst kurzen und dicken Schaufeln augestattet. Die Scheiben am Ausgang haben einen kleineren Durchmesser und kleinere, leichtere Schaufeln. Hierdurch wird das Träg­ heitsmoment um die Querachse reduziert.

Eine weitere Verbesserung wird dadurch erzielt, daß man die Durchmesser des Rotors in den Zwischenräumen zwischen den Scheiben in Schwerpunktnähe möglichst groß macht und diesel­ ben an den beiden Enden des Rotors möglichst klein hält.

Die Statorscheiben werden dieser Formgebung des Rotors ange­ paßt. Weiterhin kann man die Scheiben in Schwerpunktnähe aus Material mit größerer Dicke herstellen. Anhand der Zeichnun­ gen wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Turbo- Vakuumpumpe,

Fig. 2 den Rotor dieser Pumpe herausgezeichnet.

Die Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäß ausgebildete Turbo-Vakuumpumpe. Die senkrecht gezeichnete Pumpe kann auch waagerecht betrieben werden. Das den Ansaug­ flansch 1 tragende zylindrische Gehäuseteil 2 ruht auf dem Boden 3. In dem zylindrischen Gehäuseteil 2 ist der Stator mit seinen Statorscheiben angeordnet. Das obere passive Magnetlager 5 ist beispielsweise mit drei Stegen mit dem Gehäuse verbunden. Das untere aktive Magnetlager 6 und die Steuereinheit 7 sind am Bodenteil 3 befestigt. Der Rotor 8 mit seinen Rotorscheiben 9 bis 15 wird von den Magnetlagern getragen. Zum Antrieb des Rotors dient der Motor, der durch den Stator 16 und den Permanentmagneten oder Kurzschlußanker 17 gebildet wird. Das zu fördernde Gas tritt am Ansaug­ flansch 1 in die erste Rotorscheibe 9 ein, wird dort in Ver­ bindung mit der ersten der Statorscheiben 4 verdichtet und gelangt nach Durchlaufen sämtlicher Rotor- und Statorschei­ ben zu dem Auslaßstutzen 18.

Fig. 2 zeigt den Rotor halb im Schnitt und halb in der Sei­ tenansicht. Man sieht, daß die Eingangsscheibe 9 gegenüber den anderen Rotorscheiben wesentlich dicker ausgestaltet ist. Die Schaufeln dieser Scheibe sind lang und dünn. Der Zwi­ schenraum zur nächsten Scheibe hat einen besonders kleinen Durchmesser. Die Scheibe 10 hat denselben Durchmesser wie die Scheibe 9, jedoch eine geringere Dicke und ebenfalls dünne Schaufeln. Der Zwischenraum zwischen den Scheiben 10 und 11 hat einen wesentlich größeren Durchmesser als der Zwischenraum zwischen den Scheiben 9 und 10. Die Scheiben 11 und 12 sind mit kurzen, dicken Schaufeln bei gleichem Außendurchmesser ausgeführt. Die Zwischenräume haben hier ebenfalls einen großen Durchmesser. Die Schei­ ben 13, 14 und 15 sind im Durchmesser kleiner gehalten und haben kürzere, aber dünne Schaufeln. Dort sind die Durchmesser der Zwischenräume wieder kleiner.

Durch diese Maßnahmen, einzeln oder in ihrer Gesamtheit angewendet, wird erreicht, daß das Trägheismoment um die Querachse kleiner als das Trägheitsmoment und die Rotations­ achse ist.

Eine weitere Verbesserung kann dadurch erreicht werden, daß die Scheiben in Schwerpunktnähe, z. B. die Scheiben 11 und 12, aus einem Material größerer Dichte, z. B. aus Stahl, gefertigt werden, wenn die übrigen Scheiben aus Leichtmetall hergestellt sind.

Claims (4)

1. Magnetische Lagerung für den Rotor einer Turbo-Vakuum­ pumpe nach dem Oberbegriff des ersten Patentanspruches des Hauptpatentes P 24 57 783, dadurch gekennzeich­ net, daß die Rotorscheiben (11, 12), die sich in Schwer­ punktnähe des Rotors befinden einen größeren Durch­ messer als die Rotorscheiben (13, 14, 15) an der Aus­ gangsseite aufweisen, dagegen jedoch dickere und/oder kürzere Schaufeln besitzen.

2. Magnetische Lagerung für den Rotor einer Turbo-Vakuum­ pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der Saugseite zugekehrte Rotorscheibe (9) gegenüber den Scheiben (11, 12) in Schwerpunktnähe wenigstens einen gleich großen Durchmesser, eine größere Dicke und längere dünne Schaufeln aufweist.

3. Magnetische Lagerung für den Rotor einer Turbo-Vakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Rotors in den Zwischenräumen zwischen den Scheiben (10, 11, 12, 13) in Schwerpunktnähe möglichst groß ist und der Durchmesser des Rotors in den Zwischen­ räumen zwischen den Scheiben (9, 10) und (13, 14, 15) an der Eintritts- und Austrittsseite möglichst klein ist.

4. Magnetische Lagerung für den Rotor einer Turbo-Vakuumpum­ pe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die in Schwerpunktnähe des Rotors sich befind­ lichen Scheiben (11, 12) aus einem Material größerer Dicke gegenüber dem der übrigen Scheiben hergestellt sind.