DE3210354A1

DE3210354A1 - Antrieb fuer turbomolekularpumpen

Info

Publication number: DE3210354A1
Application number: DE19823210354
Authority: DE
Inventors: Eberhard Ing.grad. Lepper; Karl Heinz 6335 Lahnau Lust
Original assignee: PFEIFFER VAKUUMTECHNIK; Arthur Pfeiffer Vakuumtechnik Wetzlar GmbH
Current assignee: PFEIFFER VAKUUMTECHNIK; Arthur Pfeiffer Vakuumtechnik Wetzlar GmbH
Priority date: 1982-03-20
Filing date: 1982-03-20
Publication date: 1983-09-22
Also published as: DE3210354C2; NL8300786A; GB8307753D0; JPH0636675B2; NL189165C; US4520296A; FR2523657B1; IT1159834B; CH660057A5; FR2523657A1; BE896198A; IT8319127A0; GB2117144B; NL189165B; GB2117144A; JPS58207889A

Description

ARTHUR PFEIFFER VAKUUMTECHNIK WETZLAR GMBH Antrieb für Turbomolekularpumpen

Die Erfindung betrifft einen Antrieb für die Welle einer Turbomolekularpumpe nach dem Prinzip eines bürstenlosen Gleichstrommotores.

Bürstenlose Gleichstrommotore sind aus Veröffentlichungen über Kleinmotore (3), (4) bekannt. Hier sind verschiedene Varianten, der Wicklungsstränge mit den erforderlichen Schaltelementen dargestellt. Die beschriebenen Motore haben eine geringe Leistungsaufnahme und die angetriebenen Wellen kleine Trägheitsmomente, so daß die Motore ihre Betriebsdrehzahl schnell erreichen. Aus diesen Gründen ist eine einfache Stromversorgung möglich.

Bei Turbomolekularpumpen liegen die Antriebsmotore im Vakuumraum. Die Rotoren dieser Pumpen drehen sich mit sehr hoher Frequenz (bis 90 000 U/min). Ihre Betriebsleistung hängt praktisch nur von der Lagerreibung ab. Da die Rotoren wegen ihres hohen Trägheitsmomentes und der hohen Drehzahl eine große Rotationsenergie speichern, ist zum Beschleunigen des Rotors ein sehr hohes Drehmoment erforderlich, um die Pumpe in möglichst kurzer Zeit auf Betriebsdrehzahl zu bringen. Während dieser AnIaufphase wird der Rotor mit konstantem Drehmoment beschleunigt, was bei Gleichstrommotoren einen Betrieb mit konstantem Strom erfordert. Die hierfür verwendeten bürstenlosen Gleichstrommotore müssen also diesen Betriebsverhältnissen angepaßt sein.

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Ein bürstenloser Gleichstrommotor mit viersträngigen Wicklungen zum Antrieb von Turbomolekularpumpen ist aus der Firmenschrift (5) bekannt. Die Stromversorgung dieses Motors ist in Fig. 2 dargestellt. Sie besteht aus einem Netztransformator mit Gleichrichter zur Erzeugung einer Zwischengleichspannung Uz, einem Spannungsregler, der vorzugsweise als Schaltregler mit Speicherdrossel ausgeführt ist und während des Hochlaufes die Betriebsspannung U so reguliert, daß der Gesamtstrom des Motors, der am Strommeßwiderstand R.. gemessen wird, konstant bleibt. Bei Erreichen der Betriebsdrehzahl übernimmt ein Drehzahlmesser die Regelfunktion und steuert den Spannungsregler, so daß die Betriebsdrehzahl konstant bleibt.

Weiterhin sind z.B. aus (1) und (2) Schaltregler bekannt, die den Netztrafo ersetzen (Fig. 3). Hierbei wird innerhalb einer Zerhackerstufe mit Hilfe von Schalttransistoren mit zur Netzfrequenz vergleichsweise hoher Schaltfrequenz die gleichgerichtete Netzspannung zerhackt und über einen Transformator eine Zwischenspannung U für den Motor erzeugt. Die Schalt-

transistoren werden über einen Impulsbreitenmodulator angesteuert, der über eine Regelung die Spannung hinter dem Transformator konstant hält. Die Stromregelung beim Hochlauf sowie die Drehzahlregelung beim Betrieb erfolgen über einen zweiten Schaltregler (Speicherdrosselregler, Impulsbreitenmodulator) , wie im vorherigen Abschnitt beschrieben.

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Die oben beschriebenen Schaltungen haben folgende Nachteile:

1. Die viersträngige Wicklung füllt den Wickelraum schlecht aus, was erhöhte Ohmsche Verluste zur Folge hat.

2. Die beim Ausschalten der entsprechenden Wicklung noch vorhandene magnetische Energie wird nicht zurückgewonnen, sondern in den Zehnerdioden bzw. Schalttransistoren verheizt.

3. Bei defekten Schalttransistoren im Betriebsspannungsregler steht am Motor die volle Zwischengleichspannung U an, was zum Durchgehen der Betriebsdrehzahl und somit zu einem Sicherheitsrisiko für die Turbomolekularpumpe wird. Außerdem können bei defekter Stromregelung im Zischenkreis die Schalttransistoren T_c bis T₀ durch überlastung zerstört werden.

4. Die beschriebenen Beispielse erfordern entweder einen ■ großen Netztransformator zur Trennung von Netzspannung und Motorspannung, oder einen zweiten Regelkreis zur Stabilisierung der Zwischenkreisspannung U .

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• · · I

Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, die beschriebenen Nachteile zu vermeiden und auf einfache Art eine höhere Betriebssicherheit beim Antrieb von Turbomolekularpumpen zu erreichen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Motorwicklung zweisträngig ausgeführt ist und die Enden der zweisträngigen Wicklung über einen gemeinsamen Widerstand R₁ mit dem Nullpunkt der Spannungsquelle verbunden sind, wobei der Spannungsabfall an diesem Widerstand die

Breite der Ansteuerimpulse für die Transistoren des Zerhackers so steuert, daß der Motorstrom konstant bleibt.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Dioden D bis D

O O

wird auf einfache Art die magnetische Restenergie aus dem Motor, die beim Abschalten der betreffenden Wicklung entsteht, in die beiden Kondensatoren C und C zurückgeführt.

Besonders vorteilhaft ist die Anordnung eines Meßgleichrichters mit Operationsverstärker zwischen dem Strommeßwiderstand R und dem Eingang des Impulsbreitenmodulators, der die an R. entstehende kleine Wechselspannung gleichrichtet, verstärkt und dem Regler zuführt. Durch die Stromregelung über die Eingangsschaltstufe reduziert sich der zweite Regelkreis auf einen Grätzgleichrichter mit nachgeschalteter Drossel und Kondensator. Die Dioden D₁ und D ersetzen die Schalttransistoren des Spannungsreglers aus Fig. 2, während die Dioden D und D als Freilaufdioden wirken

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I U J b 4

Die beiden Speicherdrosseln L. und L sind weiterhin erforderlich, um den Strom in der Schaltstufe zu begrenzen. Die Kondensatoren C₃ und C. dienen als Zwischenspeicher für die magnetische Restenergie.

Die Regelspannung wird weiterhin der dynamischen Strombegrenzung, bestehend aus einem Verstärker und einem Spannungskompensator, zugeführt. Der Ausgang des Kondensators begrenzt über die Kommutierungseinrichtung den Strom in den Transitoren T bis T .

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In Fig.l ist die erfindungsgemäße Anordnung dargestellt. Fig.2 und 3 dienen zur Erläuterung des Standes der Technik.

Anhand des Beispiels in Fig. 1 soll die Funktion des Motors und der Antriebsschaltung erläutert werden. Die hier beschriebene Schaltung vermeidet den schweren und voluminösen Netztransformator und benutzt statt dessen ein geschaltetes Netzteil mit einem wegen der hohen Schaltfrequenz kleinen Netztransformator. Gegenüber der Schaltung nach Fig.3 wird der Speicherdrosselregelkreis eingespart. Bei defekten Schalttransistoren im Zerhacker werden die Spannungen U und U zu Null, und der Pumpenrotor kommt zum Stillstand.

Der Motor besteht aus einem Stator mit zwei um 90° elektrisch versetzten Wicklungssträngen W und W und einem permanentmagnetischen Rotor M. Unter den Wickelköpfen sind im Abstand von 90° (elektrisch) zwei Hallsonden angebracht, die die Stellung des Rotors erfassen und über Schaltverstärker

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und eine Dekodierschaltung vier phasenrichtige Rechtecksignale von 90° (elektrischer Einschaltdauer) erzeugen, die den Schalttransistoren in der Reihenfolge T_, T₇, T , T zugeführt werden. Wird T leitend gesteuert, so

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wird W mit der Spannung + U verbunden und am Widerstand R- entsteht ein positiver Spannungsabfall. Nach elektrischer Drehung des Rotors, sperrt der Transistor T^ und die in der Wicklung W- gespeicherte magnetische Energie erzeugt am Verbindungspunkt der Dioden D und D_fi

eine positive Spannungsspitze, die aber über die Diode D in den Kondensator C geladen wird. Die restlichen 3 Schaltvorgänge für eine Umdrehung erfolgen analog.

Die am Strommeßwiderstand R auftretende Spannung ist eine Wechselspannung mit abwechselnd zwei positiven und zwei negativen Impulsen. Sie wird entweder über eine Diode oder besser über einen Meßgleichrichter mit Operationsverstärker dem Impulsbeitenmodulator als Regelspannung zugeführt.

Jener enthält einen Oszillator der Rechteckimpulse mit einer Frequenz von 2 0 kHz erzeugt, und zwar abwechselnd positive und negative Impulse, deren Breite von der Regelspannung aus dem Meßgleichrichter abhängt.

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Die Impulse schalten den Anfang der Primärwicklung des Transformators abwechselnd an den positiven und negativen Pol der durch den Gleichrichter gleichgerichteten Netzspannung 0 . Das Ende der Wicklung liegt am Verbindungspunkt zweier über die Spannung U₁ geschalteter Kondensatoren.

Während der Strom in der Primärwicklung des Transformators in Pfeilrichtung fließt, fließt der Strom in der oberen Sekundärwicklung durch D , L, T oder T , W oder W_, R₁ zurück zum Mittelpunkt der Sekundärwicklung des Transformators. Wird der Strom in der Primärwicklung unterbrochen, so liefert die Speicherdrossel L weiter Strom, zusammen mit dem Kondensator CL. Der Strom fließt ebenfalls über T- oder T_, W₁ oder W„, R₁ zurück zum Mittelpunkt des Transformators von dort über die zweite Wicklungshälfte und die Freilaufdiode D nach L zurück. Sollten die Schalttransistoren T und T gesperrt sein, so erfolgt der Stromfluß in den Kondensator C , dessen Spannung sich dadurch erhöht. Im negativen Zweig erfolgt der Stromfluß analog. Es wird also eine Stromregelung über die Eingangstransistoren vorgenommen, wobei sich der aus Fig. 2 bekannte Regelkreis auf die Diode D und die Drossel L reduziert. Bei Erreichen der Betriebsdrehzahl nimmt der Drehzahlmesser den Stromsollwert soweit zurück, daß die Drehzahl konstant bleibt.

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Die Ausgangsspannung des Meßgleichrichters wird weiterhin der dynamischen Strombegrenzung zugeführt.

Diese besteht aus einem Verstärker und einem Kompensator.

An einem Eingang desseben ist ein Spannungssollwert vorgegeben, der dem maximal zulässigen Stromwert der Endstufentransistoren Tc und Tg entspricht, überschreitet die aus dem Meßgleichrichter abgeleitete Regelspannung diesen Wert, so wird über die Kommutierungseinrichtung der Strom in den

Endstufentransitoren T_c bis T₀ auf den vorgegebenen Maximal-

ο ο

wert begrenzt.

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-ns.

LITERATUR

1. Siemens Technische Mitteilungen aus dem Bereich Bauelemente

Macek, Hirschmann u.a. Ackermann et. al Schaller
Macek

Schaltnetzteile IB 1703

Schaltnetzteile HB 1764

Schaltnetzteile HIB 1821

Schaltnetzteile IV 1749

2. VaIvo Technische Informationen für die Industrie

Van Velthooven Hedderscheid

Dimensionierung von Durchflußwandlern Nr. 76 11 05 Nov. 1976.

3. Müller: Zweipulsige kollektorlose Gleichstrommotoren asr. digest für angewandte Antriebstechnik Heft 1/2 1977

4. Kappius, Liska: Elektronikmotoren für industrielle Anwendungen. Siemens Zeitschrift 45 (1971) Heft 4.

5. Betriebsanweisung für Turbomolekularpumpen TPH und Antriebs-Elektronik TCP 270. Nr. PM 800 0 61 BD Firma A. Pfeiffer Vakuumtechnik Wetzlar GbmH, Postfach 1280 D - 6334 Asslar.

Le

erseite

Claims

ARTHUR PFEIFFER VAKUUMTECHNIK WETZLAR GMBH Patentansprüche

1. Antrieb der Welle einer Turbomolekularpumpe nach dem Prinzip eines bürstenlosen Gleichstrommotors mit einem permanent-magnetischen Rotor M und einem Stator mit zwei um 90° elektrisch versetzten Wicklungssträngen W₁ und W₀/ deren Enden verbunden sind und deren Anfänge über je zwei steuerbare Schaltelemente T bis T mit dem positiven und dem negativen Pol einer Spannungsquelle (^+ü, / ""^üiJ roit Mittelanzapfung verbindbar sind, einer Kommutierungseinrichtung, die die vier Schaltelemente steuert sowie mit einem Stromversorgungsgerät zum Betrieb des Motors, bestehend aus einem Gleichrichter mit der Ausgangsspannung U , einem Zerhacker, der die Primärspule eines nachgeschalteten Transformators schaltet, einem Taktgeber mit Impulsbreitenmodulator, der den Zerhacker steuert, einer Sekundärwicklung mit Mittelanzapfung an dem besagten Transformator und vier Gleichrichterdioden D bis D₄, die in Grätzschaltung an die Sekundärspule angeschlossen sind mit je einer nachfolgenden Drossel L und L , deren Ausgänge den positiven und negativen Pol für den Anschluß des Motors bilden mit in Reihe geschalteten Kondensatoren C und C2 an den Ausgängen, deren Verbindungspunkt zusammen mit der Mittelanzapfung der Trafospule

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den gemeinsamen Nullpunkt der Spannungsquellen bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsamen Enden der Motorspulen W₁ und W₉ über einen Strommeßwiderstand R

mit dem gemeinsamen Nullpunkt der Spannungsquellen verbunden sind und der Spannungsabfall an diesem Strommeßwiderstand, der dem Motorstrom proportional ist, die Ansteuerimpulse für den Zerhacker in ihrer Breite so beeinflußt, daß der Motorstrom konstant bleibt.

2. Antrieb der Welle einer Turbomolekularpumpe

nach dem Oberbegriff das Anspruches 1, dadurch gekennzeichnet, daß Dioden D_ bis D₀ parallel mit entgegen-

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gesetzter Flußrichtung zu den Schalttransistoren

T₁. bis T₀ vorhanden sind, die beim Abschalten des ent-5 8

sprechenden Wicklungsstranges die restliche in der Wicklung gespeicherte Induktionsenergie in die-Kondensatoren C₁ und C zurückspeisen.

3. Antrieb der Welle einer Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren T bis T durch eine dynamische Strombegrenzung, die vom Spannungsabfall am Strommeßwiderstand R₁ gesteuert wird und in die Kommutierungseinrichtung eingreift, vor überhitzung geschützt werden.

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4. Antrieb der Welle einer Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Regelkreis zwischen dem Strommeßwiderstand R und dem Impulsbreitenmodulator ein Meßgleichrichter eingebaut ist,

5. Antrieb der Welle einer Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Ansteuerimpulse für den Zerhacker bei Erreichen der Betriebsdrehzahl über einen Drehzahlmesser so beeinflußt wird, daß die Drehzahl des Motors konstant bleibt.