DE10314007A1

DE10314007A1 - Steuerung einer Kolbenvakuumpumpe

Info

Publication number: DE10314007A1
Application number: DE2003114007
Authority: DE
Inventors: Helge Dipl.-Ing. Asarow-Semke; Rainer Dipl.-Ing. Hölzer
Original assignee: Leybold Vakuum GmbH
Current assignee: Leybold GmbH
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2004-10-07

Abstract

Eine Kolbenvakuumpumpe weist einen Schwingkolben (13) auf, der von einer steuerbaren Magnetanordnung (25) angetrieben wird. Ein Sensor (30) liefert ein der Kolbengeschwindigkeit entsprechendes Signal. Aus diesem Signal werden die Umkehrpunkte des Kolbens bestimmt und im Bereich der Umkehrpunkte erfolgt eine Umsteuerung der Erregerströme der Magnetanordnung. Die Stromstärke wird in Abhängigkeit von dem Mittelwert des jeweiligen Kolbenhubes geregelt. Die Kolbenvakuumpumpe arbeitet unter variierenden Betriebsbedingungen stets im Resonanzbereich. Sie hat daher eine große Schwingungsamplitude und einen guten Wirkungsgrad.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenvakuumpumpe mit einem linear geführten Kolben und einer den Kolben antreibenden steuerbaren Magnetanordnung, die zwei mit umschaltbaren Erregerströmen beaufschlagte, den Kolben antreibende Arbeitsspulen aufweist.

Kolbenvakuumpumpen, von denen der Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ausgeht, sind beispielsweise beschrieben in WO 00/63556 und DE 196 34 518 A1 . Derartige Vakuumpumpen haben eine Magnetanordnung mit zwei Arbeitsspulen, die abwechselnd und gegenphasig zueinander erregt werden. Die Arbeitsspulen wirken auf einen an dem Kolben vorgesehenen Permanentmagneten, wodurch der Kolben hin- und herbewegt wird. Dabei übt der Kolben an seinen Enden eine Pumpwirkung aus. Üblicherweise wird ein derartiger Kolben nicht mit seiner Resonanzfrequenz, d.h. als Schwingkolben, betrieben. Die Resonanzfrequenz des Kolbens hängt von verschiedenen Einflussparametern ab, wie beispielsweise der Reibung zwischen Kolben und Laufbahn, dem Ansaug- und Kompressionsdruck, der gepumpten Gasart, dem temperaturabhängigen Magnetisierungszustand, der Magnetanordnung und der Kolbenmasse.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kolbenvakuumpumpe zu schaffen, die durch dynamische Frequenzanpassung die augenblickliche Resonanzfrequenz des Kolbens selber findet und die Leistungseinkopplung so dosiert, dass der Kolben unabhängig von den jeweiligen Betriebsparametern einen gleichmäßigen Hub hat.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Hiernach ist ein die Kolbengeschwindigkeit erfassender Sensor vorgesehen; aus dem Sensorsignal werden die Umschaltzeitpunkte für die Erregerströme der Magnetanordnung bestimmt. Erfindungsgemäß erfolgt die Umsteuerung des Kolbens der Kolbenvakuumpumpe stets dann, wenn der Kolben in die Nähe einer Endlage gelangt ist und die Kolbengeschwindigkeit unter einen vorgegebenen Wert abgesunken ist. Die Umsteuerung wird also nicht zeitabhängig oder entsprechend einer vorgegebenen Resonanzfrequenz durchgeführt, sondern in Abhängigkeit von der Kolbengeschwindigkeit. Damit erfolgt eine selbsttätige Anpassung der Taktung der Erregerströme an die jeweilige Kolbenbelastung und die sonstigen augenblicklich herrschenden Betriebsparameter. Die Umsteuerung des Kolbens erfolgt automatisch zeitgerecht. Damit wird ein Schwingkolbenbetrieb durchgeführt, bei dem sich automatisch die Resonanzfrequenz des Kolbens einstellt. Die erfindungsgemäße Kolbenvakuumpumpe hat einen verbesserten Wirkungsgrad und auch eine geringere Belas tung der mechanischen Komponenten, wodurch sich eine erhöhte Lebensdauer ergibt.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass aus dem Sensorsignal ein dem Kolbenhub entsprechendes Signal gewonnen wird, das zur Bemessung der Stromstärke der Erregerströme benutzt wird. Hierbei erfolgt eine Bemessung der Erregerströme in der Weise, dass der Kolbenhub auf einen vorbestimmten Sollwert geregelt wird. Diese Regelung ist abhängig von der Kolbenbelastung. Bei hoher Kolbenlast werden die Erregerströme erhöht. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die Arbeitshübe belastungsabhängig in der Weise erfolgen, dass stets die gewünschte Hublänge entsteht. Dadurch werden kurze Hübe mit geringer Energieausnutzung vermieden. Ebenfalls werden zu lange Hübe, bei denen der Kolben gegen Endanschläge prallt, vermieden.

Das dem Kolbenhub entsprechende Signal kann aus dem der Kolbengeschwindigkeit entsprechenden Signal durch Integration gewonnen werden. Damit wird der Mittelwert des Kolbenhubes auf einfache Weise bestimmt.

Die Regelschaltung der erfindungsgemäßen Kolbenvakuumpumpe kann in sehr einfacher Weise ausgeführt werden. Es wird nur ein einziger Sensor benötigt, der vorzugsweise auf dem Induktionsprinzip beruht. Die Sensorsignale werden verarbeitet, um daraus die Umsteuerzeitpunkte für den Kolben und die Höhe der Erregerströme zu bestimmen.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Steuerung der Erregerströme einer Kolbenvakuumpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 8.

Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Schnittdarstellung der Kolbenvakuumpumpe,
2 den zeitlichen Verlauf der der Kolbengeschwindigkeit entsprechenden Spannung U_V,
3 Impulsdiagramme der Erregerströme der beiden Arbeitsspulen, und
4 ein schematisches Blockschaltbild der Regelschaltung für die Erregerströme.
Die in 1 dargestellte Kolbenvakuumpumpe weist ein Gehäuse 10 auf, in dem zwei koaxiale Zylinder 11,12 axial hintereinander ausgebildet sind. Ein Kolben 13, der Kolbenabschnitte 13a,13b unterschiedlichen Durchmessers hat, ist in den Zylindern 11,12 axial verschiebbar. Jeder Zylinder 11,12 weist an seinem Ende einen Einlassraum 14 bzw. 15 auf, der bei zurückgezogenem Kolben in Fluidverbindung mit einem Einlasskanal 16 bzw. 17 kommt, um Gas in den Einlassraum einzuleiten. Beim anschließenden Kolbenhub wird der Einlasskanal von dem Kolben abgesperrt und das in dem Einlassraum 14 bzw. 15 befindliche Gas wird durch ein Rückschlagventil 18,19 in einen Auslassraum 20,21 hineingedrückt. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Auslassraum 21 mit dem Einlasskanal 16 verbunden, so dass die beiden Kolbenabschnitte 13a und 13b hintereinander ge schaltete Verdichterstufen bilden. Die Pumpe hat einen Saugstutzen 22 und einen Auspuff 23.
Für den Antrieb des Kolbens 13 ist eine Magnetanordnung 25 vorgesehen, die zwei koaxiale und axial gegeneinander versetzte Arbeitsspulen L1 und L2 aufweist. Die Arbeitsspulen umgeben den Kolben 13. Jede Arbeitsspule ist von einem magnetischen Joch 26 umgeben, das einen Luftspalt bildet. An den inneren Schenkel des Jochs 26 schließt sich ein ringförmiger Permanentmagnet 27 an. Die Magnetisierungsrichtung ist achsparallel zum Kolben. Zwischen den Permanentmagneten 27 befindet sich ein Freiraum 28, in dem ein Permanentmagnet 29 bewegbar ist, der mit dem Kolben 13 verbunden ist und radial vom Kolben absteht. Der Permanentmagnet 29 ragt zwischen die Permanentmagnete 27 und wird normalerweise von beiden abgestoßen, so dass er die Mittellage einnimmt.
Die Arbeitsspulen L1 und L2 werden von gegenphasig gepulsten Erregerströmen erregt. Dadurch wird beispielsweise das Magnetfeld des linken Permanentmagneten 27 durch die Erregerspule L1 verstärkt und das Magnetfeld des rechten Permanentmagneten 27 wird durch die Erregerspule L2 geschwächt. Der Kolben 13 bewegt sich dann gemäß 1 nach rechts. Anschließend werden die Erregerspulen L1 und L2 umgepolt, so dass der Kolben sich nach links bewegt.
In der Mitte zwischen den Erregerspulen L1 und L2 befindet sich ein Sensor 30 in Form einer Sensorspule, die in einem Spalt zwischen den beiden gegeneinander stoßenden Jochen 26 angeordnet ist. Der Sensor 30 umgibt den Freiraum 28 koaxial. Er ist dem Magnetfeld des Permanentmagneten 29 ausgesetzt. In dem Sensor 30 wird eine Spannung erzeugt, die der Geschwindigkeit des Magneten 29 proportional ist. Daher liefert der Sensor 30 ein geschwindigkeitsabhängiges Sensorsignal.
In 2 ist das Sensorsignal U_V über der Zeit t dargestellt. Dabei werden annähernd gleiche Signaleverläufe während des Vorhubes H_V und des Rückhubes H_R des Kolbens erzeugt. Die Mittellage des Kolbens ist jeweils mit M bezeichnet. Der Vorhub H_V und der Rückhub H_R ergeben zusammen eine volle Periode der Kolbenschwingung. In der Mittellage M des Kolbens ergibt sich jeweils zwischen zwei Maximalwerten ein Nulldurchgang. Die Spannung U_V des Sensors ist generell proportional zur Kolbengeschwindigkeit, jedoch mit Ausnahme der Bereiche in der Nähe der Mittellage M.
An den Endpunkten E der Kolbenbewegung erfolgt die Umsteuerung der Erregerspulen schon vor dem Erreichen der Endlage. Daher ergibt sich dort eine kurze linear erscheinende Flanke.
3 zeigt den zeitlichen Verlauf der Erregerströme I in den beiden Arbeitsspulen L1 und L2. Die Erregerströme sind gegenphasig zueinander. Sie bestehen aus Rechteckimpulsen.
4 zeigt ein Blockschaltbild der Regelschaltung für die Magnetanordnung 25.
Das Signal des Sensors 30 wird einem Wandler 40 zugeführt, der ein der Kolbengeschwindigkeit v entsprechendes Spannungssignal U_V liefert. Der Spannungsverlauf am Ausgang des Filters 41 entspricht 2.
Die vom Filter 41 gelieferte Spannung U_V wird einem Vergleicher 42 zugeführt und mit einem Umschalt-Sollwert U_S verglichen. Der Umschalt-Sollwert kann Null sein oder ein relativ kleiner Span nungswert, der die vorzeitige Umschaltung vor Erreichen der Endstellung des Kolbens angibt. Der Vergleicher 42 liefert bei Gleichheit seiner Eingangssignale ein Ausgangssignal, welches einem Zweipunktregler 43 zugeführt wird. Der Zweipunktregler 43 liefert die Umsteuersignale für die Erregerströme der Arbeitsspulen L1 und L2 an eine Stromerzeugerschaltung 44. Die Funktion f (t) stellt die Zeitfunktion der Umschaltung dar.
Die Amplitude der Erregerströme I wird einem anderen Eingang der Stromerzeugerschaltung 44 zugeführt. Zur Bildung der Amplitudensignale wird das Ausgangssignal des Filters 41 einem Integrator 45 zugeführt, der aus dem geschwindigkeitsabhängigen Signal durch Integration einen Mittelwert des Kolbenhubes KH bildet. Dieser Mittelwert des Kolbenhubes wird mit einem Sollwert KH_S des Kolbenhubes verglichen. Die Signale KH und KH_S werden einem Vergleicher 46 zugeführt, der ein Differenzsignal erzeugt. Dieses Differenzsignal wird in ein Amplitudensignal des Erregerstromes I in einem Wandler 47 umgewandelt. Die Stromerzeugungsschaltung 44 erzeugt aus der Frequenz f und dem Amplitudensignal die Erregerströme I (t) der Arbeitsspulen.
Während das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel eine Schaltung aus diskreten Bauteilen aufweist, kann zur Verarbeitung der Sensorsignale auch ein Computer benutzt werden, der die betreffenden Funktionen mit entsprechender Software ausführt. Die Verarbeitung der Sensorsignale und die Regelung für I (t) können auch digital über einen Mikrocontroller und eine entsprechende Software erfolgen.

Claims

Kolbenvakuumpumpe mit einem linear geführten Kolben (13) und einer den Kolben antreibenden steuerbaren Magnetanordnung (25), die zwei mit umschaltbaren Erregerströmen beaufschlagte den Kolben antreibende Arbeitsspulen (L1,L2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Kolbengeschwindigkeit (v) erfassender Sensor (30) vorgesehen ist und dass aus dem Sensorsignal die Umschaltzeitpunkte für die Erregerströme der Magnetanordnung (25) bestimmt werden.
Kolbenvakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Sensorsignal ein dem Kolbenhub entsprechendes Signal (KH) gewonnen wird, das zur Bemessung der Stromstärke (I) der Erregerströme benutzt wird.
Kolbenvakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (30) zwischen den Arbeitsspulen (L1,L2) angeordnet ist und auf einen mit den Arbeitsspulen magnetisch gekoppelten Permanentmagneten (29) des Kolbens (13) reagiert.
Kolbenvakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vergleicher (42) vorgesehen ist, der ein der Kolbengeschwindigkeit entsprechendes Signal (U_V) mit einem voreingestellten Sollwert (U_S) vergleicht und bei Erreichen des Sollwertes den Umschaltzeitpunkt bestimmt.
Kolbenvakuumpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem der Kolbengeschwindigkeit entsprechenden Signal (U_V) durch Integration das dem Kolbenhub entsprechende Signal (KH) gewonnen wird.
Kolbenvakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vergleicher (46) vorgesehen ist, der ein dem Kolbenhub entsprechendes Signal (KH) mit einem einem Soll-Kolbenhub entsprechenden Signal (KH_S) vergleicht und die Differenz an einen Umsetzer (47) zur Bemessung der Erregerströme (I) liefert.
Kolbenvakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (13) ein Doppelkolben ist, der mit jedem seiner Enden einen Einlassraum (14,15) begrenzt.
Verfahren zur Steuerung der Erregerströme einer Kolbenvakuumpumpe, bei welchem ein der Kolbengeschwindigkeit entsprechendes Signal (U_V) erzeugt und daraus in der Nähe der Nulldurchgänge die Umschaltzeitpunkte der Erregerströme bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem der Kolbengeschwindigkeit entsprechenden Signal (U_V) durch Integration ein dem Kolbenhub entsprechendes Signal (KH) gewonnen und zur Berechnung der Stromstärke (I) der Erregerströme benutzt wird.