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Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe, insbesondere eine Turbomolekularvakuumpumpe.
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Vakuumpumpen, wie beispielsweise Turbomolekularvakuumpumpen, weisen ein Rotorelement auf. Das Rotorelement ist beispielsweise bei Turbomolekularpumpen aus mehreren Rotorscheiben zusammengesetzt. Mit dem mindestens einen Rotorelement wirkt mindestens ein Statorelement zusammen. Bei einer Turbomolekularpumpe weist der Stator mehrere Statorscheiben auf, wobei die Rotorscheiben und Statorscheiben abwechselnd angeordnet sind. Ebenso könnte es sich bei dem Rotorelement und dem Statorelement beispielsweise auch um entsprechende Bauteile einer Holweckpumpe, einer Siegbahnpumpe etc. handeln. Das Rotorelement und das Statorelement sind in einem Pumpengehäuse angeordnet. Das Rotorelement ist mit einer Rotorwelle verbunden, die das mindestens eine Rotorelement trägt. Gegebenenfalls können die Rotorwelle und das mindestens eine Rotorelement auch einstückig ausgebildet sein. Die Rotorwelle ist in dem Gehäuse über zwei Lagerelemente drehbar gelagert. Insbesondere bei schnelldrehenden Vakuumpumpen, wie Turbomolekularpumpen, ist es bekannt als Lagerelemente elektromagnetische Lager vorzusehen. Diese haben insbesondere den Vorteil, dass kein Verschleiß auftritt und mit derartigen berührungslosen Lagern hohe Drehzahlen von insbesondere mehr als 1500 U/min realisiert werden können. Elektromagnetische Lager haben allerdings den Nachteil, dass die entsprechenden Spulen mit einer Steuereinrichtung verbunden sein müssen, um durch exaktes Verändern der Stromzufuhr eine hochpräzise axiale Ausrichtung zwischen dem mindestens einen Rotorelement und dem mindestens einen Statorelement zu gewährleisten.
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Ferner ist es bekannt, als Lagerelemente Permanentmagnetlager vorzusehen. Um die exakte Lage zwischen Rotorelement und Statorelement sicherzustellen, muss die relative Lage der beiden Permanentmagnete des Lagers exakt eingehalten werden. Hierzu ist es bekannt, zusätzlich zu den Lagerelementen mit der Rotorwelle einen Permanentmagneten zu verbinden. Dieser Permanentmagnet wirkt mit einem mit einer Magnetspule verbundenen Joch zusammen. Durch exaktes Bestromen der Spule, die mit einer Steuereinrichtung verbunden ist, erfolgt ein entsprechendes axiales Verschieben der Rotorwelle und somit ein axiales Verschieben der Permanentmagnete der Permanentmagnetlager. Eine derartige axiale Verschiebung der Rotorwelle führt jedoch zu einer radialen Destabilisierung. Ferner ist diese Ausgestaltung technisch aufwändig.
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Insbesondere bei schnelldrehenden Vakuumpumpen, wie Turbomolekularvakuumpumpen, ist ferner das Vorsehen mechanischer Lager nachteilig. Neben dem auftretenden Verschleiß weisen derartige Lager insbesondere den Nachteil auf, dass Schwingungen unterschiedlicher Frequenz übertragen und erzeugt werden können.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vakuumpumpe zu schaffen, bei der auf einfache Weise eine hochpräzise Lagerung der Rotorwelle erfolgt.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch eine Vakuumpumpe gemäß Anspruch 1.
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Die erfindungsgemäße Vakuumpumpe, bei der er es sich insbesondere um eine Turbomolekularpumpe handelt, weist eine in einem Pumpengehäuse gelagerte Rotorwelle auf. Die Rotorwelle trägt mindestens ein Rotorelement. Bei der Turbomolekularpumpe trägt die Rotorwelle mehrere Rotorscheiben, die mit abwechselnd zu den Rotorscheiben angeordneten Statorscheiben zusammenwirken. Die Statorscheiben sind im Gehäuse fixiert. Insbesondere bei Turbomolekularpumpen trägt die Rotorwelle. häufig zusätzlich eine Holweckpumpe, wobei die entsprechenden Statorelemente wiederum mit dem Gehäuse verbunden sind. Ferner sind mit dem Pumpengehäuse zwei Lageraufnahmeelemente verbunden oder auch einstückig ausgebildet, so dass zwischen den beiden Lageraufnahmen und der Rotorwelle jeweils ein Lager angeordnet werden kann. Erfindungsgemäß sind beide Lager als Permanentmagnetlager ausgebildet, wobei es besonders bevorzugt ist, dass zumindest eines, insbesondere beide Lager als repulsive Permanentmagnetlager ausgebildet sind. Hierbei weisen die beiden Magnetlager vorzugsweise mehrere Magnetringe auf. Eine erste Gruppe an Magnetringen ist hierbei mit der Rotorwelle und die jeweils zweite Gruppe an Magnetringe mit dem Lageraufnahmeelement verbunden. Die Magnetringe der ersten Gruppe umgeben jeweils die Magnetringe der zweiten Gruppe oder umgekehrt. Insofern können die statisch angeordneten, d. h. mit den Lageraufnahmeelementen verbundenen Magnetringe die mit der Rotorwelle verbundenen Magnetringe umgeben oder umgekehrt, wobei hierbei das Lageraufnahmeelement als Zapfen ausgebildet ist, der in eine Ausnehmung der Rotorwelle ragt. Bei der bevorzugten repulsiven Anordnung der Magnetringe sind diese je Gruppe derart angeordnet, dass die Nord-Pole der Magnetringe jeweils aufeinander zu weisen.
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In besonders bevorzugter Ausführungsform ist eines der beiden Lager, insbesondere sind beide Lager als radiale Permanentmagnetlager ausgebildet.
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Vorzugsweise ist jedem der beiden Lager ein Fanglager zugeordnet. Hierbei ist es besonders bevorzugt, dass zumindest bei einem der beiden Fanglager, vorzugsweise bei beiden Fanglagern, ein radiales Fanglager und ein hiervon getrenntes axiales Fanglager vorgesehen ist. Bevorzugt ist es somit, dass bei beiden Lagern zusätzlich zwei Fanglager, ein radiales und ein axiales Fanglager, angeordnet sind.
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Des Weiteren ist es bevorzugt, dass zumindest eines, insbesondere beide axialen Fanglager einstellbar sind. Hierdurch ist es möglich, über die axialen Fanglager die Lage der Rotorwelle im Gehäuse und somit die relative Lage zwischen den Rotorelementen und den Statorelementen über das mindestens eine axiale Fanglager, insbesondere beide axialen Fanglager, einzustellen. Vorzugsweise ist zur Einstellung in axialer Richtung ein axial verschiebbares Einstellelement vorgesehen. Hierbei kann es sich insbesondere um ein stift- oder schraubenförmiges Einstellelement handeln, so dass auf einfache Weise eine axiale Verschiebung des Einstellelements möglich ist. Besonders bevorzugt ist es, dass das mindestens eine Einstellelement mit dem entsprechenden Lageraufnahmeelement verbunden ist. Insbesondere ist das axiale Einstellelement innerhalb des entsprechenden Lageraufnahmeelements angeordnet.
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Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weisen die beiden Permanentmagnetlager eine unterschiedliche Steifigkeit auf. Hierbei ist es besonders bevorzugt, dass dasjenige Lager, das zu dem Schwerpunkt der Rotorwelle einen geringeren Abstand aufweist, eine höhere Steifigkeit aufweist. Der Schwerpunkt der Rotorwelle ist hierbei definiert als der gemeinsame Schwerpunkt der Rotorwelle zusammen mit allen mit der Rotorwelle verbundenen drehenden Bauteilen. Eine höhere Steifigkeit des Permanentmagnetlagers kann insbesondere dadurch erzielt werden, dass gegenüber dem anderen Lager eine größere Anzahl an Magnetringen vorgesehen ist. Besonders bevorzugt ist es, dass das saugseitig angeordnete Lager eine höhere Steifigkeit aufweist.
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Des Weiteren ist es bevorzugt, dass das die höhere Steifigkeit aufweisende Lager derart ausgebildet ist, dass die stationären Magnetringe von den rotierenden Magnetringen umgeben sind. Hierbei sind die rotierenden Magnetringe bevorzugt innerhalb einer Ausnehmung der Rotorwelle angeordnet. In diese Ausnehmung ragt ein als Zapfen ausgebildetes Lageraufnahmeelement.
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Des Weiteren ist es bevorzugt, dass eines der Lager, bei dem es sich insbesondere um das druckseitige Lager handelt, äußere Magnetelemente, wie Magnetringe aufweist, die von einem mit der Rotorwelle verbundenen Trägerelement getragen sind. Die rotierenden Magnetelemente sind somit nicht unmittelbar sondern mittels des Trägerelements mit der Rotorwelle verbunden. Das Trägerelement ist insbesondere glockenartig ausgebildet. Hierdurch ist es möglich, die rotierenden Magnetelemente innerhalb des Trägerelements anzuordnen. Die rotierenden Magnetelemente umgeben vorzugsweise die stationären Magnetelemente dieses Lagers. Hierbei können die stationären Magnetelemente von einem zapfenförmigen Lagerelemente getragen werden, dass jedoch bei dieser Ausführungsform nicht in eine Ausnehmung der Welle, sondern in eine Ausnehmung des Trägerelements ragt.
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Zur axialen Justage der beiden Permanentmagnetlager und somit zur axialen Justage der Rotorelemente relativ zu den Statorelementen ist in besonders bevorzugter Ausführungsform ein Justageelement vorgesehen, dass insbesondere mit dem druckseitigen Lager zusammenwirkt. Insbesondere umgibt das Lagerelement zumindest teilweise die äußeren, insbesondere rotierenden Magnetelemente und in besonders bevorzugter Ausführungsform das Trägerelement. Das Justageelement weist vorzugsweise ein magnetisierbares Joch zur Erzeugung einer axialen Magnetkraft auf. Hierzu weist das Justageelement vorzugsweise eine elektrische Spule auf, wobei es besonders bevorzugt ist, dass zumindest ein Teil der Wicklungen der Spule die äußeren Magnetringe umgeben. Durch eine entsprechende Steuerung der Spule kann somit die von dem Justageelement auf die insbesondere äußeren Magnetelemente wirkende Kraft eingestellt werden und somit eine Justage erfolgen.
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Das Joch des Justageelements ist insbesondere ringförmig ausgebildet und weist eine axiale Öffnung auf. Diese ist vorzugsweise mit einem Verbindungselement verschlossen. Das Verbindungselement ist vorzugsweise aus magnetisierbarem Material, so dass der Magnetfluss verstärkt wird. Besonders bevorzugt ist es, dass dieses Verbindungselement als Gehäusedeckel ausgebildet ist.
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Besonders bevorzugt ist es, dass nur einer, insbesondere ein in axiale Richtung äußerer Magnetring des radialen Permanentmagnetlagers zur Axialreglung genutzt wird.
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In besonders bevorzugter Ausführungsform handelt es sich somit bei der erfindungsgemäßen Vakuumpumpe um eine vierachsig passiv und einachsig aktiv gelagerte Vakuumpumpe, insbesondere eine Turbomolekularpumpe.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer Turbomolekularpumpe, und
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2 eine schematische Ansicht einer repulsiven Anordnung der Magnetringe.
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Die erfindungsgemäße Vakuumpumpe weist eine Rotorwelle 10 auf, die über ein saugseitiges Lager 12 sowie ein druckseitiges Lager 14 in einem Pumpengehäuse 16 drehbar gelagert ist. Die Rotorwelle trägt Rotorelemente, wobei es sich im dargestellten Ausführungsbeispiel um Rotorscheiben 18 einer Turbomolekularpumpe sowie um einen Rotor 20 einer Holweckpumpe handelt. Mit den Rotorscheiben 18 wirken Statorscheiben 22 und mit dem Rotor der Holwelckpumpe ein Statorring 24 mit schraubenlinienförmiger Nut zusammen. Ferner ist mit der Rotorwelle zum Antrieb ein Elektromotor 26 verbunden.
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Das saugseitige Lager 12 weist mehrere innere stationäre Magnetringe 30 auf, die von äußeren rotierenden Magnetringen 32 umgeben sind. Die Anordnung der Magnetringe 30, 32 ist repulsiv. Die äußeren Magnetringe 32 sind in einer Ausnehmung 34 der Rotorwelle angeordnet, so dass ein rohrförmiger Teil 36 der Rotorwelle zwischen den äußeren Magnetringen 32 und den Rotorscheiben 18 angeordnet ist. Ferner ist in der Ausnehmung 34 ein fest mit dem Rotor 10 verbundenes Innenteil 38 angeordnet. Das Innenteil 38 weist einen stift- bzw. zapfenförmigen Ansatz 40 auf.
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Das in die Ausnehmung 34 ragende zapfenförmige Lageraufnahmeelement 38 trägt die statischen Magnetringe 30. Ferner ist innerhalb des Lageraufnahmeelements 28 ein Einstellelement 42 angeordnet. Dieses ist mit einem Außengewinde versehen und greift in ein in einer Bohrung des Lageraufnahmeelements 28 vorgesehenes Innengewinde ein. Durch einfaches Drehen ist somit ein axiales Verschieben des Einstellelements 42 möglich. Das Einstellelement 42 ist dem zapfenförmigen Ansatz 40 gegenüberliegend angeordnet. Zwischen dem Ansatz 40 und dem Einstellelement 42 ist eine Kugel 44 angeordnet. Diese bildet das axiale Fanglager aus. Gleichzeitig kann durch Drehen des Einstellelements 42 eine axiale Ausrichtung der Rotorwelle 10 erfolgen. Ferner ist zwischen dem Ansatz 40 und einem rohrförmigen Bereich des Lageraufnahmeelements 28 ein weiteres Fanglager 46 angeordnet. Hierbei handelt es sich um das radiale Fanglager.
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Anstelle des Vorsehens von Kugeln 44, 56 zur axialen Lagerung können auch Stifte mit abgerundeten Stirnseiten vorgesehen sein. Die entsprechenden Stifte sind entweder mit den Wellenenden oder mit den Einstellelementen 42, 54 verbunden.
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Das druckseitige Lagerelement 14 weist gegenüber dem saugseitigen Lagerelement 12 eine geringere Steifigkeit auf. Insofern ist die Anzahl der Magnetringe geringer. Die statischen Magnetringe 48 sind von den rotierenden Magnetringen 50 umgeben. Die statischen Magnetringe 48 sind auf einem als Zapfen oder Zylinder ausgebildeten Lageraufnahmeelement 52 angeordnet. Innerhalb des Lageraufnahmeelements 52 ist ein Einstellelement 54 angeordnet. Dies ist entsprechend dem Einstellelement 42 mit einem Außengewinde versehen und greift in ein Innengewinde ein. Durch Drehen des Einstellelements 54 kann wiederum eine axiale Justage erfolgen. Hierzu wirkt das Einstellelement 54 auf eine wiederum als axiales Fanglager dienende Kugel 56 ein, die an einem Wellenzapfen 58 der Rotorwelle 10 anliegt. Mit dem Wellenzapfen 58 der Rotorwelle 10 ist ferner ein im dargestellten Ausführungsbeispiel glockenförmiges Trägerelement 60 verbunden. Das glockenförmige Trägerelement 60 trägt auf einer Innenseite die rotierenden Magnetringe 50.
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Zwischen dem Wellenzapfen 58 und einem rohrförmigen Ansatz des Lageraufnahmeelements 52 ist ferner ein vom axialen Fanglager gesondertes radiales Fanglager 62 angeordnet.
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Das glockenförmige Trägerelement 60 ist zumindest teilweise von einem Justageelement 64 umgeben. Dieses weist ein zur Rotationsachse 66 rotationssymmetrisch ausgebildetes Joch 68 auf. Innerhalb des Jochs 68 ist zur Erzeugung von Magnetkräften eine Spule 70 angeordnet. Des Weiteren ist das Joch 68 mit einem magnetisierbaren Verbindungsteil 72 verbunden. Das Verbindungsteil 72 dient gleichzeitig als Gehäusedeckel des Pumpengehäuses 16. Der Gehäusedeckel 72 weist eine Öffnung 74 auf, die mit einem Stopfen oder Deckelverschlossen sein kann. Durch die Öffnung 74 ist das axiale Einstellelement 54 auf einfache Weise zugänglich. Vorzugsweise ist der Gehäusedeckel 72 mit dem Lageraufnahmeelement 52 starr verbunden, wobei es sich bei diesen Bauteilen insbesondere um Bauteile aus unterschiedlichem Material handelt, da nur der Gehäusedeckel 72 aus magnetisierbarem Material besteht.
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Sämtliche Magnete 30, 32, 48, 50 der beiden als Permanentmagnetlager ausgebildeten Lager 12, 14 sind in bevorzugter Ausführungsform repulsiv (2) angeordnet. Bei benachbarten Magnetringen ist somit der gleiche Pol einander gegenüberliegend angeordnet.
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Bei der in 1 dargestellten besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich um eine vierachsig passiv und einachsig aktiv gelagerte Turbomolekularpumpe.