DE2457783C2 - Magnetische Lagerung - Google Patents
Magnetische LagerungInfo
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Description
dadurch gekennzeichnet, daß
— eine senkrecht zur Drehachse des Rotors wirkende Dämpfungseinrichtung (35) vorhanden
ist,
— das erste Magnetlager (11) auf der Ansaugseite
liegt
— und der Rotor (5) so geformt ist, daß sein polares Trägheitsmoment größer ist als das äquatoriale
Trägheitsmoment.
2. Magnetische Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Baugruppe,
welche die statorseitigen Teile des elektrischen Antriebsmotors
(48), des zweiten Magnetlagers (23) sowie Spulen (36) der Dämpfungseinrichtung enthält,
so am druckseitigen Gehäusedeckel (47) angeordnet ist, daß sie unzerlegt mit diesem aus dem Gehäuse (1)
der Pumpe entfernbar ist.
3. Magnetische Lagerung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste
Magnetlager (11) im wesentlichen im Zentrum der Öffnung auf der Ansaugseite der Pumpe angeordnet
ist und mittels im wesentlichen radial gerichteten Trägern (10) am Gehäuse (1) befestigt ist.
4. Magnetische Lagerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
auf der Innenseite des glockenförmigen Teiles (39) die Permanentmagnete (50) des als bürstenloser, eisenloser
Gleichstrommotor (48—51) ausgebildeten Antriebsmotors angeordnet sind.
5. Magnetische Lagerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die Dämpfungseinrichtung (35) ein Stellglied mit einer Spule (36) sowie einen Sensor (42) mit einer
Spule aufweist, wobei die genannten Spulen (36) und (42) zu einer einzigen Spule zusammengefaßt sind
und daß der Spule ein Zweipol (43) mit negativem Innenwiderstand nachgeschaltet ist.
6. Magnetische Lagerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die Dämpfungseinrichtung (35) ein elektrisches Filternetzwerk aufweist, welches nur in den Frequenzbereichen,
in welchen mechanische Resonanzschwingungen auftreten, wirksam ist
Die Erfindung bezieht sich auf eine magnetische Lagerung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
In der DE-PS 25 37 367 wird eine magnetische Lagerung
für eine schnellrotierende Vakuumpumpe beschrieben, wobei die Zentrierung passiv erfolgt und die
axiale Lage mit Hilfe eines aktiv gesteuerten radialen Magnetfeldes stabil gehalten wird. Die als Tauchspulanordnung
ausgebildete axiale Lagestabilisierung und die dazugehörige Sensoreinrichtung stellen jedoch einen
erheblichen mechanischen und elektrischen Aufwand dar.
Bei einer bekannten magnetischen Lagerung, welche in der DE-OS 21 39 614 beschrieben ist, dient das erste
einen stationären Permanentmagneten enthaltende Magnetlager als Querlager, welches auch axiale Zugkräfte
auf den Rotor ausübt Das zweite Magnetlager mit einem stationär angeordneten Elektromagneten ist als
Traglager ausgebildet und bewirkt auf den Rotor, dessen Drehachse im wesentlichen vertikal ausgerichtet ist,
eine axiale Zugkraft, welche in Abhängigkeit der axialen Rotorposition regelbar ist Der Rotor ist -hierbei mittels
des zweiten Magnetlagers oberhalb seines Schwerpunktes aufgehängt, und zur Dämpfung von Schwingungen
des vergleichsweise langgestreckten Rotors ist wenigstens eine senkrecht zur Drehachse wirkende
Dämpfungseinrichtung vorgesehen. Bei einer Turbo-Vakuumpumpe mit einer derartigen magnetischen Lagerung
treten Schwierigkeiten im Hinblick auf die erforderlichen elektrischen Durchführungen für das auf
der Ansaugseite angeordnete zweite Magnetlager auf.
Es ist ferner zur Querstabilisierung wenigstens ein weiteres Querlager vorgesehen, so daß ein nicht unerheblicher
Herstellungsaufwand erforderlich ist.
Aus der DE-OS 22 13 447 ist eine magnetische Lagerung
für einen Rotor bekannt, welche an beiden Rötorenden zwei Magnetlager mit Elektromagneten enthält,
um eine geregelte Stabilisierung des Rotors in axialer Richtung zu erreichen. Es sind weiterhin in radialer
Richtung wirkende Magnetlager mit Elektromagneten vorgesehen, mit welchen sowohl radiale Rückstellkraft
als auch radiale Dämpfungskräfte erzeugbar sind. Der Rotor weist in Richtung der Drehachse eine vergleichsweise
große Länge auf, so daß im Hinblick auf die bei hohen Drehzahlen auftretenden Stabilisierungsprobleme
auch die in radialer Richtung wirkenden Magnetlager in Abhängigkeit der radialen Rotorposition geregelt
werden müssen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine magnetische Lagerung der genannten Art für eine Turbo-Vakuumpumpe
dahingehend weiterzubilden, daß einerseits ein einfacher kostengünstiger Aufbau erreicht und
eine sichere Stabilisierung des Rotors mit Hilfe einer elektrisch geregelten in radialer Richtung wirkenden
Dämpfungseinrichtung erreicht wird und daß andererseits elektrische Pnrchführungen auf der Ansaugsciie
der Turbo-Vakuumpumpe vermieden werden.
Diese Aufgabe wird durch die im ersten Patentanspruch gekennzeichneten Merkmale gelöst.
Die Erfindung zeichnet sich vor allem durch einen einfachen und kostengünstigen Aufbau aus, wobei für
das auf der Ansaugseite der Turbo-Vakuumpumpe an-
geordnete Magnetlager mit einem statorseitigen Permanentmagneten keine elektrischen Durchführungen
oder Dichtungen erforderlich sind. Durch die beiden Magnetlager werden auf den Rotor einander entgegengerichtete
Zugkräfte ausgeübt, wobei mittels des auf der Druckseite angeordneten Magnetlagers die geregelte
Stabilisierung des Rotors erfolgt. Beide Magnetlager sind derart ausgebildet, daß eine ungeregelte passive
Stabilisierung des Rotors in radialer Richtung erreicht wird und somit besondere radiale Lager nicht
erforderlich sind. Da somit nur ein aktiv geregeltes Magnetlager mit einem Elektromagneten vorhanden ist
und lediglich zur Dämpfung eine Dämpfungseinrichtung vorhanden ist, wird sowohl der fertigungstechnische
Aufwand an Elektronik und elektrischen Mitteln auf ein Minimum reduziert, als auch der Leistungsbedarf
in wirtschaftlichen Grenzen gehalten. Da das polare Trägheitsmoment des Rotors größer als sein äquatorial
es Trägheitsmoment ist, wird auch für hohe Drehzahlen eine einfache Stabilisierung des Ro;ors gewährleistet
Es ist daher von großem Vorteil, den Rotor mit einem glockenförmigen Teil zu versehen, so daß im Hinblick
auf die genannten Trägheitsmomente der Rotor in Richtung einer Drehachse vergleichsweise kurz ausgebildet
werden kann. Auch die äußeren Abmessungen der Turbo-Vakuumpumpe können somit im Vergleich
zu den bekannten Anordnungen erheblich verkleinert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die in das glockenförmige Teil des Rotors hineinragende Baugruppe
die statorseitigen Teile des elektrischen Antriebsmotors, des zweiten Magnetlagers sowie die Spulen
der Dämpfungseinrichtung, so daß diese Baugruppe zusammen mit dem druckseitigen Gehäusedeckel unzerlegt
aus dem Gehäuse entfernbar ist Hierdurch ergeben sich Vorteile sowohl bei der Herstellung"als auch
bei der gegebenenfalls erforderlichen Wartung der Turbo-Vakuumpumpe. Die Dämpfungseinrichtung enthält
zweckmäßig einen Sensor für die radiale Lage oder Bewegung des Rotors, wobei entweder aufgrund der geometrischen
Zuordnung zu einem Stellglied oder durch geeignete elektrische Mittel die erforderliche Phasenverschiebung
zwischen Sensorsignalen und den dem Stellglied zuzuführenden Signalen erreicht wird, um die
Dämpfungswirkung zu erzielen.
Der Aufbau der Dämpfungseinrichtung wird besonders einfach, wenn die Spule des induktiven Lagefühlers
und die Spule des Stellgliedes ein- und dieselbe sind, d. h. in einer einzigen Spule zusammengefaßt sind. Wird der
genannten Spule ein Zweipol mit einem negativen Innenwiderstand nachgeschaltet, so ergibt sich auf einfachste
Weise die geforderte Dämpfungswirkung. Als Beispiel für einen derartigen Zweipol sei ein mitgekoppelter
Verstärker genannt. Es erweist sich weiterhin als vorteilhaft, die Dämpfungseinrichtung nur in Jen Frequenzbereichen,
in welchen mechanische Resonanzschwingungen auftreten, zu aktivieren. Hierbei werden
in dem Verstärker, welcher dem genannten'Sensor nachgeschaltet ist, ein oder mehrere Filternetzwerke
vorgesehen. Diese Filternetzwerke sind derart abgestimmt, daß sie nur für bestimmte Frequenzbereiche, in
welchen die genannten Schwingungen auftreten, durchlässig sind.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.
Die Turbo-Vakuumpumpe weist ein Gehäuse 1 auf mit im Inneren angeordneten Leitschaufelkränzen 2. Sie
enthält weiterhin einen um die Drehachse 4 drehbaren Rotor 5, an welchem in bekannter Weise Laufschaufelkränze
6 derart angeordnet sind, daß diese jeweils zwischen zwei Leitschaufelkränzen umlaufen können. Auf
der Ansaugseite der Pumpe ist ein Flansch 7 vorgesehen, mit welchem eine Verbindung zum evakuierbaren
Raum herstellbar ist Ein weiterer Flansch 8 befindet sich auf der Druckseite der Pumpe, zum Anschluß einer
Vorvakuumpumpe. Mittels radial gerichteter Träger 10 ist im Zentrum der Öffnung auf der Ansaugseite ein
ίο erstes Magnetlager 11 vorgesehen, mit welchem auf den
Rotor 5 eine axial (nach oben) gerichtete Zugkraft ausgeübt wird. Das genannte Magnetlager enthält einen im
wesentlichen axial magnetisierten Permanentmagneten 12, angeordnet zwischen zwei etwa topfförmigen, ferromagnetischen
Bauteilen 14,15, mit koaxialen Polringen oder Schneiden 16,17. Mit dem Rotor ist ein ferromagnetisches
Bauteil 18 verbunden, welches koaxiale Polringe oder Schneiden 20, 21 derart aufweist, daß diese
den genannten Polringen 16, 17 gegenüberstehen. Das genannte Magnetlager, welches sich durch eine besonders
einfache konstruktive Gestaltung auszeichnet, ermöglicht aufgrund der koaxialen Ausbildung der Polringe
gleichzeitig eine radiale Stabilisierung des Rotors 5. Es kann ohne weiteres auch dahingehend modifiziert
werden, daß entsprechend des Magneten 12 auch auf dem Rotor ein Permanentmagnet vorgesehen wird, wobei
die Magnetisierung derart vorzusehen ist, daß ebenfalls eine Zugkraft auf den Rotor ausgeübt wird. Weiterhin
kann gemäß einer anderen, bevorzugten Ausbildung das genannte, erste Magnetlager auch ohne die Bauteile
14, 15 ausgebildet sein, wobei mit den Trägern 10 ein vorzugsweise ringförmiger, axial magnetisierter Permanentmagnet
verbunden ist und diesem in axialer Richtung gegenüberliegend auf dem Rotor ein weiterer entsprechend
ausgebildeter Permanentmagnet oder ein ferromagnetisches Bauteil zugeordnet ist. Am unteren
Ende, also auf der Druckseite, ist ein weiteres Magnetlager 23 vorgesehen, welches einen auf dem Stator angeordneten
aktiv geregelten Elektromagneten 24 aufweist. Auch hierbei sind koaxiale Polringe 25,26 vorgesehen,
welchen auf dem Rotor entsprechende Polringe 27,28 eines ferromagnetischen Bauteiles 30 zugeordnet
sind. Es ist weiterhin ein Sensor 31 vorgesehen, welcher vorzugsweise induktiv, gegebenenfalls aber auch kapazitiv
oder photoelektrisch, die Lage des Rotors in axialer Richtung erfaßt. Der Sensor ist mit einem Regler
32 verbunden, dessen Regelcharakteristik in geeigneter Weise ausgewählt ist, um über den nachgeschalteten
Verstärker 33 und den nachgeschalteten Elektromagneten 24 eine Stabilisierung des Rotors in axialer Richtung
zu erreichen. Auch bei dem genannten zweiten Magnetlager kann auf dem Rotor noch ein Permanentmagnet
vorgesehen sein, ähnlich wie bei dem ersten Magnetlager.
Aufgrund der bereits beschriebenen Ausbildung der genannten Magnetlager 11, 23 wird außer der axialen
Stabilisierung auch eine radiale Stabilisierung erreicht. Da die Steifigkeit der Lagerung in radialer Richtung
vergleichsweise gering ist, ist weiterhin im Bereich des unteren Endes des Rotors wenigstens eine Dämpfungseinrichtung 35 vorgesehen. Die genannte Dämpfungseinrichtung enthält eine auf dem Stator angeordnete
Spule 36 mit einem E-förmigen Kern 37. Der Rotor weist in diesem Bereich ein glockenförmiges Teil 39 auf,
welches auf der Innenseite einen Ring 40 aus ferromagnetischem Material enthält. Es ist weiterhin ein induktiver
Sensor 42 für die radiale Schwingungsgeschwindigkeit des Rotors vorgesehen. In der Zeichnung befin-
den sich der Sensor 42 sowie die als elektromagnetisches Stellglied wirkende Spule 36 in der gleichen Axialebene, so daß die zwischen Sensorsignal und elektromagnetischer
Kraft der Spule 36 zur Dämpfung erforderliche Phasenverschiebung mittels des: Reglers und Verstärkers
43 elektrisch vorgenommen wird. Selbstverständlich können auch Sensor und Stellglied in Umfangsrichtung
um einen vorgegebenen Winkel angeordnet werden. Weiterhin können mehrere solcher Dämpfungseinrichtungen
um den Umfang des Rotors verteilt angeordnet werden, wobei beispielsweise das Stellglied
einen U-förmigen Kern 46 enthalten kann.
Zum Antrieb des Rotors ist bevorzugt ein bürstenloser Gleichstrommotor vorgesehen, enthaltend eine auf
dem Stator angeordnete Wicklung 48 . Die genannte Wicklung befindet sich innerhalb des glockenförmigen
Rotorteiles 39, auf dessen Innenseite ein magnetischer Rückschlußring 49 sowie radial magnetisierte Permanentmagnete
50 vorgesehen sind, wobei benachbarte Permanentmagnete jeweils entgegengesetzt magnetisiert
sind. Die Ansteuerung der Wicklung erfolgt in bekannter Weise über die Steuereinheit 51, welche auch
die Kommutierungselektronik enthält. Wird der genannte Gleichstrommotor entsprechend der deutschen
Patentanmeldung P 24 17 818 eisenlos ausgebildet, so ergibt sich der wichtige Vorteil, daß dieser praktisch
keine radialen Kraftkomponenten auf den Rotor bewirkt. Als Antrieb können gegebenenfalls auch andere
elektrische Motore, wie Synchron- oder Asynchronmotore vorgesehen werden.
Wie der Zeichnung entnommen werden kann, sind der Elektromagnet 24 des zweiten Magnetlagers, die
Sensoren 42 und Spulen 36 der Dämpfungseinrichtung sowie die Statorwicklung 48 des Amtriebsmotors in einer
Baugruppe zusammengefaßt. Die genannte Baugruppe ist am druckseitigen Gehäusedeckel 47 angeordnet
und kann ohne weiteres aus dem Gehäuse 1 entfernt bzw. mit diesem verbunden werden. Dies ist im Hinblick
auf eine einfache Fertigung bzw. Wiirtung der Pumpe von besonderer Bedeutung. Die Baugruppe ragt teilweise,
also mit Statorwicklung sowie Sensoren und Spulen des Dämpfungskreises, in das glockenförmige Rotorteil
39 hinein.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
45
50
55
60
65
Claims (1)
1. Magnetische Lagerung für den Rotor einer Turbo-Vakuumpumpe
— enthaltend zwei an den Rotorenden angeordnete Magnetlager zur axialen Lagerung eines Rotors
mit
— aus ferromagnetischen und/oder permanentmagnetischen
Materialien bestehenden Lagerbauteilen des Rotors,
— wobei das erste Magnetlager mit einem stationär angeordneten Permanentmagneten den Rotor
passiv stabilisiert und
— das zweite Magnetlager mit einem stationär angeordneten Elektromagneten ausgerüstet ist
und über Lagerfühler die axiale Rotorposition erfaßt und regelbar beeinflußt wird und sich
dieses Magnetlager auf der Druckseite der Pumpe befindet und daß
— der Rotor ein glockenförmiges Teil aufweist, in
welches eine Baugruppe hineinragt, die die statorseitigen Teile eines elektrischen Antriebsmotors enthält
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