DE3302839A1 - Turbomolekularpumpe mit induktivitaetsarmem gleichstrommotor, bremseinrichtung und verfahren zum betrieb derselben - Google Patents
Turbomolekularpumpe mit induktivitaetsarmem gleichstrommotor, bremseinrichtung und verfahren zum betrieb derselbenInfo
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Description
ARTHUR PFEIF.FER VAKUUMTECHNIK WETZLAR GMBH
Turbomolekularpumpe mit induktivitätsarmem Gleichstrommotor, Bremseinrichtung und Verfahren zum
Betrieb derselben
Die Erfindung betrifft eine Turbomolekularpumpe mit magnetisch gelagertem Rotor und kollektorlosem Gleichstrommotor
zum Antrieb des Rotors, einem Sensor zur Erfassung von Rotorschwingungen senkrecht zur Drehachse
und einer elektrisch wirkenden Bremseinrichtung für den Rotor.
Eine solche Lagerung wird in der Deutschen Patentschrift 28 25 551 beschrieben. Bei dieser Lagerung erfolgt die ■
radiale Stabilisierung durch passive Magnetlager, die
aber axial destabilisierend wirken. Axial wird der Rotor durch mechanische Gleitlager gestützt. Weiterhin'wird in
der Deutschen Aüslegeschrift 2349 033 eine Turbomolekularpumpe
beschrieben, deren Rotor sowohl radial als auch axial durch aktive Magnetlager berührungsfrei gelagert
wird.
Die in diesen beiden Schriften beschriebenen Pumpen benötigen
für den Fall starker Rotorschwingungen, die durch Stoß von außen angeregt werden können, oder bei Versagen
der Magnetlagerung, Notlager. Nun stellt aber ein schnelldrehender
Rotor einer Turbomolekularpumpe einen Energie speicher dar.
Wird der mit Nenndrehzahl rotierende Rotor bei einer Störung durch die Notlager aufgefangen und muß bis zum
Stillstand in den Notlagern laufen, so wird bei Fehlen einer Bremsmöglichkeit die Rotationsenergie des Rotors .
als Reibungsenergie in den Notlagern verbraucht, was in der Regel zur.Zerstörung derselben führt. Um eine Zerstörung
der Notlager zu vermeiden, flutet man die Turbomolekularpumpe mit Gas, das sich durch Reibung erwärmt
und somit die Rotationsenergie abführt.
Zum Bremsen von Rotoren benutzt man in vielen Fällen den im Rotor eingebauten Antriebsmotor, den man als Generator
schaltet. Dieses Verfahren ist bei kollektorlosen Gleichstrommotoren
mit permanentmagnetischein Rotor durch Anschluß
von äußeren Widerständen an die Statorwicklung leicht möglich, jedoch verhindert bei Statoren mit Eisenkern,
deren hohe Induktivität einen ausreichenden Stromfluß
und eine schnelle Bremswirkung. Drehstrommotore sind zum Bremsen ungeeignet, da schon bei kurzzeitiger Stromunterbrechung
deren Generatorwirkung aussetzt.
Motore mit Eisen im Stator üben außerdem radiale Anziehungskräfte aus, die den stabilisierenden Magnetlagerkräften
entgegenwirken. Insbesondere Drehstrommotore, die auf einen kleineren Luftspalt wegen des erforderlichen Magnetisierungsstromes
angewiesen sind, üben starke Radialkräfte auf den Rotor aus.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine magnetisch gelagerte Turbomolekularpumpe mit einem elektronisch
kommutierten Gleichstrommotor anzugeben, der keine destabilisierenden Kräfte auf die Magnetlagerung ausübt,
sich durch Anschließen externer Widerstände an die Motorspulen wirksam bremsen läßt und ein Verfahren anzugeben,
wie die Pumpe bei Betriebsstörungen stillgesetzt werden kann bei schonendem Betrieb der Notlager.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch Ausbildung der Rotorwelle der Turbomolekularpumpe als
Hohlwelle in die ein radial sektorweise mit wechselnder Polarität magnetisierter Ringmagnet innerhalb
einer in die Hohlwelle eingebauten Stahlglocke angeordnet' ist, der mit einer in der Stahlglocke befestigten
Stahlwelle einen Luftspalt bildet, in den die Antriebsspulen des eisenlosen Motorstators hineinragen.
Außenläufermotor mit Stahlglocke als magnetischem Rückschluß
und Magnetträger sind bekannt, jedoch werden in diesen Motoren Statoren mit Eisenkern verwendet, die
destabilisierende radiale Kräfte auf den Rotor ausüben. Ein weiterer Nachteil ist die Wirbelstromausbildung im '
Eisen des Stators, die den Wirkungsgrad des Motors mindert. Bei der erfindungsgemäßen Ausführung des Antriebsmotors
der Turbomolekularpumpe ist der Stator eisenfrei und die entsprechenden Stahlteile im Rotor
sind nur von statischen Magnetfeldern durchflutet. Diese Bauart gewährleistet geringe Verluste, Freiheit von
destabilisierenden Radialkräften und geringe Spuleninduktivität. ·
Wegen des breiten Luftspaltes ist im Motor ein starker Ringmagnet erforderlich. Eine bevorzugte Bauform ist
die segmentweise Zusammensetzung des Ringmagneten aus einzelnen Sm-Co-Magnetstücken. In den Spulenkörper des '
Motorstators sind 2 Hallsonden eingebaut,· die die Rotorstellung,
erfassen und über eine elektronische Auswerteschaltung
mit Hilfe von 4 Schalttransistoren die Motorspulen mit Strom beaufschlagen.
Ein Schwingungssehsor mißt die SchwingungSamplitude des
Rotors senkrecht zur Drehachse. In einem elektronischen überwachungsgerät wird die aktuelle Schwingungsamplitude
mit einem vorgegebenen zulässigen Höchstwert verliehen. Bei· Überschreitung dieses Höchstwertes wird der
Motorantrieb abgeschaltet und Bremswiderstände werden angeschlossen. Diese Bremsschaltung bleibt so lange erhalten,
bis die vorgegebene Schwingungsamplitude wieder unterschritten ist.
Anhand eines Beispiels soll die Erfindung näher erläutert werden, ϊΗρ§==ζ*· zeigt die wesentlichen Merkmale
der erfindungsgemäßen Turbomolekularpumpe.
In einem Gehäuse 20 sind die Statorscheiben 21 eingebaut, zwischen denen sich der Rotor 22 mit den Rotorscheiben
dreht. Die Magnetlager 23 und 24a und 24b bestehen aus axial magnetisierten Permanentmagnetringen,
die mit gleichen Polen aufeinandersitzen. Sie stabilisieren
den Rotor in radialer Richtung. Die Magnetlager-Rotorringe 24b sind in die Rotorwelle, die als Hohlwelle
ausgebildet ist, eingebaut. Die Magnetlager-Statorringe 24a sitzen auf gehäusefesten Trägern, konzentrisch
in den Rotorringen. Die axiale Stabilisierung erfolgt, wie in der Deutschen Patentschrift 28 25 551 beschrieben
durch Zapfenlager auf verschiebbaren Anschlägen 25 und 26, wobei die Anschläge durch Servomotore so verstellt
werden, daß der Rotor im labilen Punkt der Magnetlager gehalten wird und somit die Andruckkraft der Zapfenlager
auf die Unterlage einen bestimmten Wert nicht überschreitet.
Als Notlager 27,28 werden Kugellager verwendet, die
im jeweiligen Träger der MagnetlagerStatoren eingebaut
sind. Zwischen den Innenringen der Lager und der Rotorwelle ist ein Spalt 29, der eine·gewisse Schwingung
des Rotors erlaubt. Der Motor ist in der Welle eingebaut. Ein Sensor 11 mißt die Schwingungsamplitude des
Rotors. Eine elektronische Schwingungsüberwachung 12 schaltet bei überschreiten der zulässigen Schwingungsamplitude das Relais 13 ab und verbindet die Bremswiderstände
14 mit den Motorspulen. Bei Stromausfall fällt das Relais 13 ebenfalls ab und der Rotor wird
gebremst.
Die Antriebseinheit ist im unteren Teil der Abbildung dargestellt. Dabei ist die Rotorwelle als Hohlwelle 1
ausgebildet. In dieser ist ein radial, sektorweise mit wechselnder Polarität magnetisierter Ringmagnet 3 innerhalb
einer in die Hohlwelle 1 eingebauten Stahlglocke angeordnet. Dieser Ringmagnet bildet mit einer in der
Stahlglocke 2 befestigten Stahlwelle 5 einen Luftspalt,
in den die eisenlosen Antriebsspulen 4 des Motorstators hineinragen.
Leerseite -
Claims (2)
1./ Turbomolekularpumpe mit magnetisch gelagertem Rotor . und kollektorlosem Gleichstrommotor zum Antrieb des
Rotors, einem Sensor zur Erfassung von Rotorschwingungen senkrecht zur Drehachse und einer elektrisch
wirkenden Bremseinrichtung für den Rotor, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle des Rotors als Hohlwelle
(1) ausgebildet ist, in die ein.radial sektorweise mit wechselnder Polarität magnetisierter
Ringmagnet (3) innerhalb einer in die Hohlwelle (1) eingebauten Stahlglocke (2) angeordnet ist, der mit
einer in der Stahlglocke (2) befestigten Stahlwelle (5) einen Luftspalt bildet, in den die Antriebsspulen (4) des eisenlosen Motorstators hineinragen.
2. Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Ringmagnet (3) aus Einzelmagneten zusammengesetzt ist.
Turbomolekularpumpe nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Motorstator 2 Hallsonden
90°elektrisch versetzt eingebaut sind, die Stellungssignale des Rotors liefern und mit Hilfe
einer elektronischen Kommutierungseinrichtung die Statorspulen abwechselnd mit Strom versorgen.
Verfahren zum Betrieb der Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem
Sensor gemessene Schwingungsamplitude mit einem vorgegebenen Maximalwert verglichen wird und bei überschreiten
desselben sowie bei Stromausfall Bremswider.stände an die Motorwicklungen angeschlossen
werden.
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