DE1807011A1

DE1807011A1 - Vakuumpumpen mit elektrischem Antrieb

Info

Publication number: DE1807011A1
Application number: DE19681807011
Authority: DE
Inventors: Becker Dr Willi
Original assignee: ARTHUR PFEIFFER GmbH
Current assignee: ARTHUR PFEIFFER GmbH
Priority date: 1968-11-05
Filing date: 1968-11-05
Publication date: 1970-05-21

Description

Vakuumpumpen mit elektrischem Antrieb

Die Erfindung betrifft Vakuumpumpen mit elektrischem Antrieb, und zwar insbesondere Molekular- und Turbomolekularpumpen, d.h. Pumpen, die mit sehr hohen Drehzahlen angetrieben werden müssen. Bei Vakuumpumpen mui3 üblicherweise die Welle des rotierenden Teiles durch das Vakuumgehäuse vakuumdicht hindurchgeführt werden, um die Welle entweder unmittelbar oder über ein Getriebe mit dem Antriebsmotor kuppeln zu können. Es ist bekanntlich schwierig, die Durchführungsstelle der Welle durch die Gehäusewand, in der Regel ein Lager, wirksam und vakuumdicht abzudichten und gleichzeitig dieses lager wirksam zu kühlen. Diese Schwierigkeiten lassen sich vermeiden, wenn der Antriebsmotor innerhalb des unter Vakuum stehenden Pumpengehäuses untergebracht wird. Es ist aber bei hohem Vakuum praktisch ausgeschlossen, die Verlustwärme des rotierenden Teiles des Motors aus dem Gehäuse abführen zu können.

Ein Einbau des Antriebsmotors in das Gehäuse der Pumpe ist möglich, wenn gemäß dem Patent (Patentanmeldung P

ko 352.6) zum Antrieb des rotierenden Pumpenteiles ein kollek-

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torloser Gleichstrommotor verwendet wird, dessen rotierender Teil, d.h. der Rotor, aus einem permanenten Magneten besteht. Ein solcher Magnet bedarf keiner Kühlung. Man kann diesen Magneten auf der Pumpenwelle befestigen und entweder ihn allein in einem vakuumdichten und mit dem Gehäuse der Vakuumpumpe in Verbindung stehenden zylindrischen Gehäuseteil einkapseln, wobei dann dieser Teil vom Magnetfeld des permanenten Magneten durchsetzt wird, oder den ganzen Motor im Pumpengehäuse unterbringen, da die Verlustwärme des Stators leicht in bekannter Weise abgeleitet werden kann. Ein Gleichstrommotor als Antriebsmotor hat für Vakuumpumpen weiter den großen Vorteil, daß er mit sehr hoher Drehzahl betrieben werden kann, z.B. mit 15*000 bis J)0.000 Umdrehungen und mehr.

Bei Verwendung eines kollektorlosen Gleichstrommotors, bei dem die erforderliche Stromwendung in den Spulen des feststehenden Stators mit Hilfe von Transistoren vorgenommen wird, die ihrerseits von Hallgeneratoren gesteuert werden, begrenzen die Transistoren die Leistung des Motors während des Hochlaufens der Pumpe. Während des Betriebes ist die Verlustleistung in den Transistoren nur gering, da in den Statorspulen des Motors vom rotierenden permanenten Magneten eine Gegenspannung induziert wird, die der angelegten ITe t ζ spannung annähernd gleich ist, d.h. auf die Transistoren nur eine geringe Spannung entfällt. Da weiter die zum Antrieb der Vakuumpumpe im Betrieb erforderliche Leistung sehr gering ist und in erster Annäherung den

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LagerreibungsVerlusten der Pumpe entspricht, so ist auch der Strom gering, d.h. die bisher zur Verfügung stehenden Transistoren sind für den Betrieb durchaus ausreichend. Beim Anlassen des Motors bzw. der Pumpe wird in der Statorwicklung des 'Motors noch keine der Netzspannung entgegengerichtete, annähernd gleiche Spannung erzeugt, d.h. die Steuerspannung des Transistors muß so klein gewählt werden, daß das Produkt aus Netzspannung und Ankerstrom auf einen solchen Wert beschränkt bleibt, daß es die zulässige Verlustleistung des Transistors nicht übersteigt. Damit ist aber der Ankerstrom beim Anlassen der Pumpe auf die Größe des Netzstromes beim Betrieb begrenzt, d.h. die Hochlaufzeit der Pumpe wird unzulässig lang. Um diese Schwierigkeiten zu beheben, ist in dem Patent (Patentanmeldung P 16 2b 352.6) vorgeschlagen, die aus den Hallgeneratoren anfallenden Steuerspannungen der Transistoren durch eine proportional mit der Drehzahl des Motors und damit der Pumpe wachsende Spannung in Reihe zu schalten. Das bedeutet, daß der Motorstrom mit wachsender Drehzahl zunimmt, dxe Verlustleistung der Transistoren aber gleichbleibt. Man erhält so anstelle eines gleichbleibenden ein mit der Drehzahl wachsendes Beschleunigungsmoment, wodurch die Hochlaufzeit der Pumpe auf die bisher übliche Zeit von einigen wenigen Minuten beschränkt werden kann. Nach dem Vorschlag des genannten Patentes sind in Reihe mit den Hall-Generatoren Steuerwicklungen geschaltet, die entweder im Stator des kollektorlosen Gleichstrommotors oder in einem zweiten, gleichfalls kollektorlosen Generator ange-

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ordnet sind, so daß in ihnen Wechselspannungen erzeugt werden, die den Wechselspannungen der Hall-Generatoren synchron sind und deren Größe proportional der Drehzahl des Gleichstrommotors ist. Den einzelnen Transistoren wird dann jeweils die Summe der Wechselspannungen eines Hall-Generators und einer Steuerwicklung mit der Wirkung zugeführt, daß der zugehörige Transistor einen wachsenden Strom zu den Statorwicklungen des Antriebsmotors durchläßt, d.h. das Beschleunigungsmoment des Motors nimmt mit wachsender Drehzahl zu, ohne daß sich die Verlustleistung in den Transistoren erhöht.

Die Erfindung betrifft eine Ausgestaltung der im Patent

(Patentanmeldung P 16 28 352.6) beschriebenen Erfindung, die es ermöglicht, auch große kollektorlose Motoren zum Antrieb von Turbomolekularpumpen großer Leistung verwenden zu können. Das ist bisher nicht möglich, weil Hall-Generatoren bei den bei Motoren üblichen Magnetfeldstärken nur geringe Spannungen erzeugen, die zur Steuerung von größeren Leistungstransistoren, wie sie für große Motoren erforderlich sind, nicht ausreichen.

Erfindungsgemäß ist eine Vakuumpumpe mit einem elektrischen Antrieb gemäß dem Hauptpatent so ausgebildet, daß mit jeder in einer Steuerspule erzeugten Steuerspannung eines Transistors oder eines Hilfstransistors eine Wechselspannung in Reihe geschaltet ist, die einer Brückenschaltung entnommen ist, von der ein Zweig aus ohmschen Widerständen und der andere Zweig

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aus Widerständen besteht, deren Widerstandswert vom Betrag eines sie durchsetzenden magnetischen Flusses abhängig ist, und daß die von der Größe des Magnetflusses abhängigen Widerstände je eines Brückenzweiges in um 180 elektrische Grade gegeneinander versetzten Luftspalten des Stators des Motors bzw. des Stators eines besonderen Steuergenerators angeordnet und von einem zusätzlichen Magnetfluß (Vormagnetisierung) durchflossen sind, der in der einen Hälfte des Stators den Fluß des permanenten Magneten erhöht, in der anderen Hälfte vermindert»

Widerstände, deren Widerstandswerte vom Betrag eines sie durchsetzenden magnetischen Flusses abhängig sind, sind unter dem Namen "leidplatten" bekannt. Der Widerstand solcher Feldplatten ändert sich aber nur mit der Größe des Magnetfeldes und nicht mit der Richtung des Feldes. Diese Schwierigkeiten werden durch die zuvor beschriebene Brückenschaltung in Verbindung mit einer Vormagnetisierung der Feldplatten überwunden. ( Man erhält so mit Hilfe der Feldplatten Steuerspannungen, mit denen auch die Steuerung größerer Leistungstransistoren möglich ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung beschrieben, in dieser zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Turbomolekularpumpe in schematischer Darstellung mit einem Antrieb gemäß der Erfindung,

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Fig. 2 eine schematische Ansicht des Rotors und des Stators des elektrischen Antriebsmotors,

Pig. 3 eine schematische Ansicht des Generators für die Erzeugung der Steuerspannungen und

Fig. 4 ein schematisches Schaltbild der Steuerung des Gleichstrommotors.

Die in Fig. 1 gezeigte ,Turbomolekularpumpe ist als solche bekannt, sie ist daher nur schematisch dargestellt. Ihr rotierender Teil besteht aus einer Welle 1, die über Lager 2 in den Stirnwänden 3 und 4 des Pumpengehäuses 5 gelagert ist. Die Stirnwände sind mit den Flanschen des zylindrischen Gehäuses 5 der Pumpe verschraubt. Auf der Welle 1 sitzen zu beiden Seiten der Mitte mehrere Scheiben 6. Zwischen diesen mit der Welle 1 rotierenden Scheiben sitzen im Gehäuse feststehende ringförmige Scheiben 7· Die rotierenden und die feststehenden Scheiben haben nahe ihrem äußeren U_mfang in bestimmter W Weise geformte Nuten 8 bzw. 9· Je eine feststehende und eine rotierende Scheibe bilden eine Druckstufe der Pumpe. Der Ansaugstutzen der Pumpe ist mit 10 bezeichnet. Er ist mit einem Rezipienten bzw. mit einem zu evakuierenden Raum verbunden. Der Austrittsstutzen ist mit 11 bezeichnet, er ist üblicherweise mit einer Vorvakuumpumpe verbunden. Der Stutzen 11 sitzt an einem Rohr 12, das durch Öffnungen 13 mit den Druckräumen H der Pumpe verbunden ist. Mit 15 sind wassergekühlte Platten bezeichnet, die das Entstehen von Öldämpfen an den Lagern 2 verhindern.

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In dem Ausftihrungsbeispiel hat die Welle 1 auf ;jeder Seite einen Lagerzapfen 16 bzw. 17· Auf dem Zapfen 16 sitzt der aus einem permanenten Magneten bestehende Rotor 18 des elektrischen Antriebsmotors. Das zum Motor gehörige Statorblechpaket ist mit 19 bezeichnet. Der Rotor 18 ist von einer hutartigen Haube 20 umgeben, deren Plansch 21 vakuumdicht mit der Stirnwand 3 verbunden ist. Der zylindrische Mantel der vorzugsweise aus Isoliermaterial bestehenden Haube liegt im Luftspalt zwischen dem Rotor 18 und dem Statorpaket 19· Dieses Paket ist an der Stirnwand > befestigt.

Das Statorpaket zusammen mit seinen Wicklungen liegen bei dem Aueführungsbeispiel außerhalb des Pumpengehäuses, also auch außerhalb des Vakuums, so daß die Kühlung des Stators mit üblichen Mitteln erfolgen kann. Es ist aber auch möglich, den gesamten Motor mit einer Haube einzuschließen, die an der Stirnwand 3 befestigt ist. Man kann aber auch den Motor innerhalb des. verlängerten Pumpengehäuses 5 unterbringen, so daß ( die Stirnwand ο mit dem Lager 2 links vom Motor liegt. Diese Anordnung hat-den Vorteil, da..^; die Lager 2 von auiien zugänglich sind, d.h. leichter gewartet werden können. Die Kühlung des Stators kann in diesem Fall vorteilhaft a.3. mit einer Wasserkühlung durchgeführt werden.

Auf dem Lagerzapfen 17 ist der Rotor 22, gleichfalls ein Permanentmagnet, eines Steuergenerators befestigt. Per Rotor

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ist ebenfalls von einer Haube 23 umschlossen. Der Stator 24 ist von einem achteckigen Ring 25 umgeben, der mit einem Plansch 26 an der Stirnwand 4 befestigt ist und den Stator trägt. Auf diesem Ring sitzen wie später beschrieben Transistoren, die zur Steuerung der in Fig. 2 dargestellten Wicklungen des Antriebsmotors dienen.

In Fig. 2 ist das Statorpaket 19 schematisch dargestellt. Das Paket trägt vier Wicklungen 27 bis 30, die in üblicher Weise in Nuten des Statorpaketes untergebracht sind. Der Einfachheit halber sind nur vier Nuten 31 bis 34 dargestellt. Die Wicklungen 2? und 29 einerseits und die Wicklungen 28 und 30 andererseits arbeiten zusammen. Die Wicklungen sind im Falle des Ausführungsbeispieles als Durchmesserwicklungen ausgeführt, d.h. in jeder Nut liegen Leiter der Wicklungen 27 und 29 bzw. 28 und 30. Werden beide Wicklungen vom gleichen Strom durchflossen, so heben sich ihre magnetischen Wirkungen auf. Die nachfolgend beschriebene Steuerung der Ströme in den genannten Arbeitswicklungen 27 bis 30 ist so eingerichtet, daß alle Wicklungen den gleichen Strom führen, sich also in ihrer magnetischen Wirkung aufheben, und daß beim Einsetzen der Steuerung der Strom in einer der beiden zusammengehörigen Wicklungen, z.B. in der Wicklung 27, zunimmt, während der Strom in den anderen Wicklungen abnimmt, so daß zusammen mit dem Magnetfeld des Rotors 18 ein Drehmoment gebildet wird. Die Steuerung des Stromes in den Wicklungen geschieht in bekannter Weise mittels

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Transistoren, die ihrerseits durch Feldplatten gesteuert werden. Diese mit 35 bis 42 bezeichneten Feldplatten sind in dem Statorpaket 24 des Steuergenerators untergebracht, wie dies Mg. 3 zeigt.

Das Statorpaket 24 des Steuergenerators besteht im Ausführungsbeispiel aus vier gleichen Eisenkernen, die in dem achteckigen Gehäuse 25 angeordnet sind. Jeder Eisenkern besteht aus einem Steg 44 und zwei spitzwinklig hierzu ansetzenden Schenkeln 45 und 46, die zusammen zwei Zähne bilden, so daß im Ausführungsbeispiel das gesamte Statorpaket 24 acht Zähne aufweist. Auf den Stegen 44 sitzen Steuerwicklungen 48 bis 51 und Vormagnetisierungswicklungen 52 bis 55· Die einzelnen Eisenkerne sind durch luftspalte 43 voneinander getrennt, in denen jeweils zwei der Feldplatten 35 bis 42 untergebracht sind.

Auf dem achteckigen Gehäuse sind Haupttransistoren 60 bis 63 und Hili'stransistoren 56 bis 59 befestigt.

Die Arbeitsweise des Antriebsmotors und des Steuergenerators ergibt sich aus dem in Fig. 4 dargestellten Schaltbild.

Wie Fig. 4 zeigt, liegen die vier Arbeitswicklungen 27 bis 30 parallel zu den Netzklemmen 64, 65· Jede Wicklung wird von einem der Haupttransistoren 60 bis 63 gesteuert. Die Haupttransistoren erhalten ihre Steuerspannung über Hilfstransistoren

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58 bis 59 von den Klemmen 65» 66 einer Hilfsspannung. Gesteuert werden die Hilfstransistoren 56 bis 59 von den Peldplatten 35 bis 42. Je zwei Feldplatten, die bei dem gewählten Ausführungsbeispiel in um 180 versetzte Nuten liegen, sind, wie Fig. 4 zeigt, in Reihe geschaltet und bilden einen Zweig einer' Brücke, deren anderer Zweig aus den in Reihe geschalteten Wicklungen 52 bis 55 gebildet wird, d.h. diese Vormagnetisierungsspulen werden gleichzeitig als ohmsche Widerstände der Brückenschaltung ausgenutzt. Man erhält so insgesamt vier Brückenschaltungen, deren Abgriffe mit 69 bis 73 bezeichnet"sind. An den Brückenabgriffen sind die Steuerwicklungen 48 bis 51 angeschlossen, die mit ihren anderen Enden mit den zugehörigen Vortransistoren 56 bis 59 verbunden sind. Der Abgriff 72 des Brückenzweiges 52 bis 55 ist über einen Widerstand mit der Klemme 65 verbunden.

Die Vormagnetisierungsspulen ergeben in den vier Eisenkernen ein gleichgerichtetes Magnetfeld, das sich über die Luftspalte 43 schließt. Das vom Anker 22 ausgehende Magnetfeld addiert sich in der einen Hälfte des Stators 24 zu dem Vormagnetisierungsfeld und subtrahiert sich in der anderen Hälfte von diesem, d.h. wenn z.B. der Magnetfluß durch die Feldplatte 35 zunimmt, so nimmt der durch die Feldplatte 36 ab. Das gleiche gilt sinngemäß für die übrigen Feldplatten 37, 38 bzw. 39, 40 und 41, 42. Die im gleichen Luftspalt liegenden Feldplatten 35 und 40 ändern ihre Widerstände in gleicher Weise, d.h. wenn z.B. der Widerstand der Feldplatte 35 zunimmt, so wächst auch der Widerstand der Feldplatte 40.

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Die Zunahme des Widerstandes der Feldplatte 35 und die Abnahme des Widerstandes der Feldplatte 36 fällt mit der maximalen positiven Spannung in der Steuerwicklung 48 zusammen, d.h. zur Spannung in der Steuerwicklung 4ö kommt eine Spannung aus der Brückenschaltung 50 hinzu. Das bedeutet, dai3 die Transistoren 56 und 60 aufgesteuert werden. Die übrigen Transistoren werden zu dieser Zeit zugesteuert, weil entweder die Steuerspannung Null oder negativ wird oder das Potential am Brückenabgriff ^ nach der negativen Seite hin verschoben wird. Die Transistoren werden nacheinander während jeder. Umdrehung des Ankers aufge-Bteuert. Gleiches gilt für die beiden anderen Zweige der Brückenschaltung. Das Auf- oder Zusteuern der Hilfstransistoren bedeutet eine entsprechende Steuerung der Haupttransistoren 60 bis 69» d.h. der Strom in den Wicklungen 27 bis 30 wird entsprechend der Drehzahl des Motors verstärkt oder geschwächt.

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Claims

Patentansprüche:

1. Vakuumpumpe, insbesondere Turbomolekularpumpe, mit einem kollektorlosen Gleichstrommotor als Antriebsmotor, dessen Rotor aus einem permanenten Magneten besteht und dessen auf dem Stator des Motors angeordnete Arbeitswicklungen durch Transistoren und die.se einmal durch Spannungen gesteuert werden, deren Größe von der Verteilung des Magnetfeldes im Stator des

™ Motors bzw. eines Steuergenerators abhängig ist, und zum andern zur Steuerung der Arbeitswicklung dienenden Transistoren und von zusätzlichen Steuerspannungen, die gleichphasig mit den erstgenannten Spannungen sind, deren Größe proportional der Drehsahl des Motors ist und in Wicklungen erzeugt werden, die im Stator des Motors oder in einem Steuergenerator untergebracht sind, dessen Rotor ebenfalls aus einem permanenten Magneten besteht und dessen Stator mit gleicher Polzahl wie der Stator des Motors ausgebildet ist, nach Patent ............

fe (Patentanmeldung P 16 28 552.6), dadurch gekennzeichnet, daß mit jeder in einer Steuerspule (48 bis 51) erzeugten Steuerspannung eines Transistors oder eines Hilfstransistors (56 bis 59) eine Wechselspannung in Reihe geschaltet ist, die einer Brückenschaltung entnommen ist, von der ein Sweig aus ohmsciien Widerständen (52 bis 55) und der andere Zweig aus Widerständen (35 Ms 42) besteht, deren Widerstandswert von der Größe eines sie durchsetzenden magnetischen S¹IuSsee abhängig ist, νωή daß die von der Größe des Magnetflusses abliäagigen Widerstände je

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eines Brückenzweiges in um 180 elektrische Grade gegeneinander versetzten Luftspalten (43) des Stators (19) des Motors bzw. des Stators (24) eines besonderen Steuergenerators angeordnet und von einem zusätzlichen Magnetfluß (Vormagnetisierung) durchflossen sind, der in der einen Hälfte des Stators den Fluß des permanenten Magneten erhöht, in der anderen Hälfte vermindert .

2. Vakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Vormagnetisierung des Stators (19, 24) dienenden Spulen (52 bis 55) als ohmsehe Brückenwiderstände dienen.

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