DE3239328A1 - Magnetisch gelagerte turbomolekularpumpe mit schwingungsdaempfung - Google Patents
Magnetisch gelagerte turbomolekularpumpe mit schwingungsdaempfungInfo
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Description
ARTHUR PFEIFFER VAKUUMTECHNIK WETZLAR GMBH
Magnetisch gelagerte Turbomolekularpumpe mit Schwingungsdämpfung -
Die Erfindung betrifft eine Turbomolekularpumpe mit passiven,
radialen Magnetlagern und mit mechanischen oder elektro-magnetischen Axiallagern.
Für die schmiermittelfreie Lagerung der Rotoren von Turbomolekularpumpen
werden verschiedene Versionen von Magnetlagern benutzt. In der DAS 23 49 033 und in der FR 14 75
werden Turbomolekularpumpen mit aktiven, elektronisch geregelten Magnetlagern beschrieben. In der DAS 28 25 551 ist
eine Turbomolekularpumpe mit Hybridlagerung dargestellt.
Hierbei wird der Rotor radial durch passive Magnetlager gehalten, während in axialer Richtung mechanische Stützlager
vorhanden sind.
Bei beiden Arten der Lagerung verhalten sich die Rotoren wie
elastisch gefesselte Kreisel. Somit sind verschiedene Schwingungsmöglichkeiten
gegeben. Die Schwingungen können von außen durch Erschütterungen angeregt werden oder wie z.B.
bei der Anordnung in der DAS 28 25 551 durch Reibungskräfte im axialen mechanischen Stützlager entstehen. Folgende Arten
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von Rotor-Schwingungen sind in verschiedenen Frequenzbereichen möglich:
1. Präzessionsschwingungen mit einer Frequenz von etwa 0,1 Hz bis 10 Hz. Die Frequenz ist
abhängig von der Drehzahl, den Trägheitsmomenten und den Federkonstanten der Lager
des Rotors.
2. Parallel-Schwingungen des Rotors senkrecht zur Drehachse. Die Frequenzen dieser Schwingungen
werden durch die Federkonstanten der Magnetlager und durch die Masse des Rotors festgelegt und
liegen zwischen 30 Hz und 100 Hz.
3. Nutationsschwingungen, welche abhängig sind von der Drehzahl und vom Verhältnis der Trägheitsmomente
längs und quer zur Rotorachse. Sie treten in den Bereichen von 300 Hz bis 1500 Hz auf.
Um die möglichen Schwingungen zu vermeiden, können aktiv geregelte Magnetlager elektronisch gedämpft
werden. Passive Magnetlagerungen, zum Beispiel nach dem Oberbegriff des ersten Anspruches und in der
DAS 28 25 551 neigen bei starken Erschütterungen zum Schwingen in einer oder mehreren der oben genannten
Arten. Besonders können Reibungskräfte beim Vor-
handensein mechanischer Stütz lager Nutationsschwingungen anregen, überschreiten die Schwingungsamplituden
in den Magnetlagern das vorhandene Freispiel, so muß der Rotor von den vorhandenen
Fanglagern wieder in seine Ausgangsposition zurückgeführt
werden, was eine starke Abbremsung und einen
Verschleiß der Fanglager zur Folge hat. Dies gilt für alle Rotoren mit passiven radialen Magnetlagern ohne
Rücksicht auf die Art der axialen Lagerung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, an Turbomolekularpumpen mit passiven radialen Magnetlagern eine
Schwingungsdämpfung anzubringen, durch die von außen und durch die Pumpe selbst angeregte Schwingungen wirksam
gedämpft werden und ein schwingungsarmer, sicherer und stabiler Betrieb der Pumpe bei allen Frequenzen bis
zur Nenndrehzahl gewährleistet wird.
Als Lösung der Aufgabe wird gemäß der kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 eine Kombination zweier
verschiedener Dämpfungseinrichtungen vorgestellt. Eine direkte Dämpfungseinrichtung für die höheren Frequenzen
wirkt als Wirbelstromdämpfung. Sie besteht
aus Ringen aus Kupfer oder einem anderen gut elektrisch leitenden Werkstoff, die auf die Magnetlager-Statoren
der radialen Magnetlager aufgezogen sind. In diesen Ringen entstehen bei Schwingungen Magnetfeldänderungen,
welche Wirbelströme mit dämpfenden Kräften erzeugen.
Diese dämpfenden Kräfte sind proportional der Frequenz
der auftretenden Schwingungen und somit besonders zur Dämpfung der Schwingungen mit höheren Frequenzen geeignet.
Für Schwingungen mit niedrigen Frequenzen ist eine Dämpfungseinrichtung vorgesehen, die aus einer einen
Magnetlager-Stator tragenden Plattform besteht, die in Federn aufgehängt ist, welche Bewegungen nur senkrecht
zur Achsrichtung der Pumpe zulassen. Die Plattform ist über Schwingungsdämpfer mit dem ruhenden Gehäuse verbunden. Dabei ist der Rotor über das radiale Magnetlager
an die Plattform angekoppelt. Dieses Magnetlager überträgt auch die dämpfenden Kräfte auf den Rotor. Die
Anordnung ist so ausgelegt, daß für niedrige Frequenzen eine ausreichende Dämpfung vorhanden ist. Im Bereich der
Eigenfrequenz der Plattform, die gegeben ist durch die Masse der Plattform einschließlich Magnetlager-Stator und
die Federkonstanten der Federn, hat die Dämpfung ein Maximum. Bei höheren Frequenzen nimmt sie .ab.
Im Diagramm (Fig. 2) sind die dämpfenden Kräfte in Abhängigkeit der Schwingungsfrequenzen aufgetragen.
Kurve A zeigt den Verlauf der Dämpfungskräfte der direkten Dämpfung, die Kurve B zeigt den Verlauf
der Dämpfungskräfte der indirekten Dämpfung. Mit Kurve C sind die Dämpfungskräfte der kombinierten
Dämpfungseinrichtung bestehend aus direkter Dämpfung,
und indirekter Dämpfung als Funktion der Schwingungsfrequenz aufgetragen. Mit dieser Kombination erhält
man über den gesamten Bereich der auftretenden Schwingungen eine wirkungsvolle Dämpfung. Eine wirksame direkte Dämpfung läßt sich wegen des beschränkten Raum'es im Luftspalt der Magnetlager nur für hohe
Frequenzen verwirklichen.
Die indirekte Dämpfung ist bei kleinen Frequenzen um
einige Zehnerpotenzen größer als die direkte Dämpfung.
Um optimale Verhältnisse zu erreichen, wird die Federkonstante der Federn, in der die Plattform aufgehängt
ist, an die Federkonstante des zugehörigen Magnetlagers angepaßt. Es ist auch möglich, die indirekte
Dämpfung nur an einem der beiden Magnetlager, bevorzugt auf der Vorvakuumseite der Pumpe, anzubringen.
Anhand von Fig. 1 und Fig. 2 soll die Erfindung näher erläutert werden.
Es zeigen
Fig. 1 ein Ausführungsbeispxel der erfindungsgemäßen Anordnung
Fig. 2 Dämpfungskräfte in Abhängigkeit von der Schwingungsfrequenz
An dem Ausführungsbeispxel in Fig. 1 wird die erfindungsgemäße Anordnung dargestellt. Mit 1 ist der Rotor und
mit 2 sind die Rotorscheiben einer Turbomolekularpumpe bezeichnet. Abwechselnd zwischen den Rotorscheiben 2
befinden' sich die Statorscheiben 3. Die radialen Magnetlager bestehen aus den Magnetlager-Rotoren 4 und 4' und
aus den Magnetlager-Statoren 5 und 5'. Im vorliegenden
Ausführungsbeispxel ist die Axiallagerung durch mechanische axiale Stützlager 7 und V dargestellt. Als Axiallagerung
kann auch eine elektro-magnetische Einrichtung dienen. Auf die Magnetlager-Statoren 5 und 51 sind Ringe
6 und 6' aus Kupfer oder einem anderen gut elektrisch
leitenden Werkstoff aufgezogen. Bei auftretenden Störungen erzeugen Magnetfeldänderungen Wirbelströme in diesen Ringen,
die frequenz-proportionale Dämpfungskräfte erzeugen.
Bei der indirekten Dämfung für niedrige Frequenzen werden Bewegungen der auf senkrecht stehenden Federn
(9) angeordneten Plattform (8), die von Rotorschwingungen
angeregt werden, durch die angekoppelten an sich bekannten Flüssigkeitsdämpfer (10) wirksam unterdrückt.
Die Federn (9) führen die Plattform 8 in axialer Richtung, lassen aber dazu senkrechte Bewegungen zu.
In Fig. 2 ist der Verlauf der Dämpfungskräfte logarithmisch
in Abhängigkeit von der Schwingungsfrequenz aufgetragen. Die Kurve A zeigt den Verlauf der direkten
Dämpfungskräfte, die proportional der Frequenz sind und somit erst bei höheren Frequenzen wirksam werden. Durch
Kurve B sind die indirekten Dämpfungskräfte dargestellt, die bei niedrigen Frequenzen im Bereich der Eigenfrequenz
der Plattform ihre größte Wirkung haben. Die Kurve C zeigt die resultierende der beiden Kurven A und B. Hiermit wird
eine wirksame Dämpfung für alle auftretenden Schwingungsfrequenzen erreicht.
Claims (3)
- ARTHUR PFEIFFER VAKUUMTECHNIK WETZLAR GMBHMagnetisch gelagerte Turbomolekularpumpe mit SchwingungsdämpfungPatentansprüche;l) Turbomolekularpumpe mit passiven, radialen Magnetlagern (4, 5 und 4', 51) und mit mechanischen oder elektro-magnetischen Axiallagern, dadurch gekennzeichnet, daß zur Dämpfung von Schwingungen in Richtung der Magnetlagerebenen.eine direkte und eine indirekte Dämpfungseinrichtung vorgesehen-sind, wobei die direkte Dämpfungseinrichtung eine Wirbelstromdämpfung ist, bestehend aus Ringen (6, 61) aus Kupfer oder einem anderen gut elektrisch leitenden Werkstoff, die auf die Magnetlager-Statoren (5, 5') aufgezogen sind, und die indirekte Dämpfungseinrichtung aus einer die Magnetlager-Statoren tragende Plattform (8) besteht, die in Federn (9) aufgehängt ist, welche nur Bewegungen senkrecht zur Achsrichtung der Pumpe zulassen und die Plattform (8) über einen an sich bekannten Schwingungsdämpfer (10) mit dem ruhenden Gehäuse (11) verbunden und somit gedämpft ist.
- 2. Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die indirekte Dämpfungseinrichtung an beiden Magnetlager-Statoren (5, 5f) befindet und die Federkonstante der Federn (9), in denen die Plattform (8) aufgehängt ist, jeweils gleich der radialen Federkonstante des zugehörenden Magnetlagers ist.
- 3. Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich an einer Lagerstelle nur eine direkte Dämpfungseinrichtung befindet und an der anderen Lagerstelle sowohl eine direkte als auch eine indi rekte Dämpfungseinrichtung vorhanden ist, wobei die Federkonstante der Federn (9), in denen die Plattform (8) aufgehängt ist, gleich der radialen Federkonstanten des zugehörenden Magnetlagers ist.
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