DE69503301T2

DE69503301T2 - Mehrachsen-Elektromotor und mit einem solchen Motor kombinierte Verdrängungspumpe

Info

Publication number: DE69503301T2
Application number: DE69503301T
Authority: DE
Inventors: Yasushi Kohza-Gun Kanagawa-Ken Hisabe; Kozo Kawasaki-Shi Kanagawa-Ken Matake; Masami Fujisawa-Shi Kanagawa-Ken Nagayama; Hiroaki Kawasaki-Shi Kanagawa-Ken Ogamino; Yoshinori Fujisawa-Shi Kanagawa-Ken Ojima; Genichi Chigasaki-Shi Kanagawa-Ken Sato; Katsuaki Kawasaki-Shi Kanagawa-Ken Usui
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1994-04-21
Filing date: 1995-04-20
Publication date: 1999-03-11
Anticipated expiration: 2015-04-21
Also published as: US5814913A; US6183218B1; US20040213686A1; KR950035004A; DE69503301D1; US6761542B2; US6447271B2; US20020172599A1; TW267271B; US20010000722A1; KR100346820B1; EP0678966B1; EP0678966A1

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mehrfachwellenelektromotor zum Antrieb einer Vielzahl von Wellen synchron zueinander und einer Pumpe mit positiver Verdrängung bzw. Fördermenge, welche mit einem solchen Elektromotor verbunden ist. Speziell, bezieht sich die Erfindung auf einen Mehrfachelektromotor, der zur Verwendung mit einer Drehmaschine bzw. Kreiselmaschine oder Turbomaschine (rotary machine) geeignet ist, die dazu dient, um zwei Wellen synchron zueinander in entgegengesetzten Richtungen zu drehen, wie zum Beispiel eine Zweiwellengetriebepumpe oder Zweiwellenzahnradpumpe (Two-shaft gear pump), eine Zweiwellenschraubenpumpe oder Zweiwellenspindelpumpe (two-shaft screw pump), ein Zweiwellenrootsgebläse oder Zweiwellenrootsgebläse (two-shaft roots blower), einen Zweiwellenschraubenkompressor oder Zweiwellenspindelkompressor (two-shaft screw compressor) oder ähnliches, und eine Pumpe mit positiver Verdrängung oder Fördermenge, welche mit einem solchen Mehrfachwellenelektromotor kombiniert ist.

Beschreibung des Standes der Technik

Elektromotoren zur Verwendung als Antriebsmittel zum Antreiben von Pumpen oder ähnlichem weisen Induktionsmotoren oder Gleichstrommotoren auf. Im Allgemeinen haben diese Motoren nur eine drehbare Welle.
Fig. 23 der Zeichnungen zeigt im Querschnitt eine Zweiwellendrehmaschine, wie zum Beispiel ein Rootsgebläse, welches durch einen Elektromotor angetrieben wird, der nur eine drehbare Welle hat. Die in Fig. 23 gezeigte Zweiwellendrehmaschine weist in einem Gehäuse 31 ein Paar von nebeneinanderliegenden Motoren 32, 33 entsprechenden Wellen 32a, 33a auf, und ferner ein Paar von Zahnrädern 34, 35, die auf den Wellen 32a bzw. 33a fest angebracht sind, und in Eingriff miteinander gehalten sind. Ein Elektromotor 35 hat eine drehbare Antriebswelle 35a, die koaxial an die Welle 32a des Rotors 32 gekoppelt ist.
Wenn der Rotor 32 durch einen Elektromotor 35 gedreht wird, so wird die Drehantriebsleistung vom Rotor 32 über die Zahnräder 34, 35 zu dem anderen Rotor 33 übertragen. Deshalb werden die Wellen 32a, 33a und somit die Rotoren 32, 33 synchron zueinander in entgegensetzte Richtungen gedreht.
Die japanische offengelegte Patentveröffentlichung Nr. 4- 178143 offenbart einen Zweiwellenelektromotor zum Drehen von zwei Wellen synchron zueinander in entgegengesetzten Richtungen. Der offenbarte Zweiwellenelektromotor ist in den Fig. 24 und 25 der Zeichnungen gezeigt. Wie in den Fig. 24 und 25 gezeigt, sind zwei Rotoren 41, 42 mit umfänglichen Permanentmagneten in einem Gehäuse 40 angeordnet, so daß die Permanentmagneten in Kontakt miteinander gehalten sind oder eng zueinander positioniert sind. Die Rotoren 41, 42 liegen nebeneinander in einem Stator 44, der im Gehäuse 40 angeordnet ist und auf parallen Wellen getragen wird, die drehbar im Gehäuse 40 durch entsprechende Sätze von Lagern 45, 46 drehbar angebracht sind. Eine Anordnung von Ankerelementen 43 ist auf einer elliptischen Innenumfangsoberfläche des Stators 44 angebracht. Die Rotoren 41, 42 sehen gemeinsam eine magnetische Kopplung in deren gegenüberstehenden zahnfreien Regionen vor, wo ungleiche magnetische Pole des Permanentmagneten der Rotoren 41, 42 sich gegenüberstehen.
Die in Fig. 23 gezeigte Zweiwellendrehmaschine hat Größen- und Geräuschprobleme, da die Zahnräder 34, 35 als Zeitsteuer- oder Synchronisierzahnräder (timing gears) zum Drehen der Rotoren 32, 33 synchron zueinander in entgegengesetzten Richtungen benötigt werden.
In dem in den Fig. 24 und 25 gezeigten Elektromotor, wird eine Anziehungskraft erzeugt, und zwar durch die magnetische Kopplung zwischen den Rotoren 41, 42, welche in Kontakt zueinander oder mit einer kleinen Lücke zwischen ihnen getragen werden.
Die so erzeugte Anziehungskraft ist verantwortlich für eine radial unausgeglichene Last an den Rotoren 41, 42. Um eine infolge der radial unausgeglichenen Last auftretende übermäßig große auf die Lager 45, 46 wirkende zu unterdrücken exzentrische Last auf die Lager 45, 46 wirkende zu unterdrücken, um den Rotoren 41, 42 eine ruhige Drehung bei hohen Geschwindigkeiten zu ermöglichen, ist es notwendig, eine gewisse magnetische Anziehungsgegenkraft vorzusehen, die tendenziell die magnetische Anziehungskraft, die zwischen den Rotoren 41, 42 wirkt, auszu löschen. Die Ankerelemente 43, die auf der elliptischen Innenumfänglichen Oberfläche des Stators 44 angeordnet sind, sind nicht zur Erzeugung einer solchen magnetischen anziehenden Gegenkraft verfügbar, da die Ankerelemente 43 ein Drehmagnetfeld zum Antrieb der Rotoren 41, 42 erzeugen. Wenn die Rotoren 41, 42 in Kontakt miteinander gehalten werden, dann braucht eine solche magnetische anziehende Gegenkraft nicht erzeugt werden, aber die kontaktierenden Rotoren 41, 42 sind verantwortlich für die Erzeugung eines übermäßigen Grades von Abnutzung oder Geräuschen.
Weitere Informationen, hinsichtlich des relevanten Standes der Technik sind in US-A-3,378,710 enthalten, welche einen magnetischen Antrieb offenbart, der ähnlich einem Planetengetriebe ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung einen Mehrfachwellenelektromotor vorzusehen, der zum Drehen oder Rotieren einer Vielzahl von Wellen synchron zueinander fähig ist, und zwar stabil bei hohen Geschwindigkeiten.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Zweiwellenelektromotor vorzusehen, der zum Rotieren von zwei Rotoren synchron zueinander in entgegengesetzten Richtungen fähig ist, und zwar stabil bei hohen Geschwindigkeiten, während er eine radial unausgeglichene Last eliminiert, die auf eine magnetische Kopplung zwischen den Rotoren zurückzuführen ist.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vakuumpumpe mit positiver Verdrängung bzw. Fördermenge vorzusehen, welche gesteuert werden kann, um ihre Drehzahl oder Drehgeschwindigkeit zu variieren, d. h. zu erhöhen oder zu erniedrigen, und um einen damit verbundenen Elektromotor vor Überlastung zu schützen, und zwar ohne Verwendung anderer Komponenten, einschließlich eines Inverters, einer magnetischen Kupplung, einer Strömungsmittelkupplung oder Fluidkupplung und eines Drehzahl bzw. Geschwindigkeit erhöhenden Getriebes.
Um die obigen Ziele zu erreichen wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Mehrfachwellen-Elektromotor vorgesehen, der eine Vielzahl von nebeneinander liegenden Rotoren aufweist, die entsprechende Permanentmagneten darum herum angeordnet haben, und eine Vielzahl von Sätzen von Ankerelementen, die voll umfänglich um die Rotoren angeordnet sind, und wobei die Permanentmagnete von zwei benachbarten Rotoren eine Vielzahl von Paaren von ungleichen magnetischen Polen haben zur magnetischen Kopplung der Rotoren durch die Ankerelemente zwischen den Permanentmagneten, wobei dann, wenn die erwähnten benachbarten zwei der Rotoren angetrieben werden, die die Ankerelemente der benachbarten zwei der Rotoren erregt werden, so daß die Ankerelemente in symmetrischen Positionen der benachbarten zwei der Rotoren ungleiche magnetische Pole erzeugen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ebenfalls eine Vakuumpumpe mit positiver Verdrängung bzw. Fördermenge vorgesehen, die folgendes aufweist: ein Gehäuse, ein Paar von Pumpenrotoren die drehbar im Gehäuse in gegenüberliegender Beziehung zueinander angeordnet sind, und ein Zweiwellenelektromotor, der mit den Pumpenrotoren gekoppelt ist, zum Drehen der Pumpenrotoren in entgegengesetzte Richtungen, wobei der Zweiwellenelektromotor ein Paar von nebeneinanderliegenden Rotoren aufweist, die entsprechende Permanentmagneten darum herum angeordnet haben, und ein Paar von Sätzen von Ankerelementen, die voll umfänglich um die Rotoren herum angeordnet sind, wobei die Permanentmagnete der entsprechenden Sätze eine Vielzahl von Paaren von ungleichen magnetischen Polen haben zum magnetischen Koppeln der Rotoren durch die Ankerelemente zwischen den Permanentmagneten.
In dem Mehrfachwellenelektromotor, durchfließen magnetische Flüsse, die durch die Rotoren geschlossene magnetische Kreise, die sich zwischen den Rotoren erstrecken, und die als eine magnetische Kopplung zwischen den Rotoren wirken. Die magnetischen Kreise erstrecken sich durch einen gemeinsamen Ankerkern und sind geschlossen und sind zwischen den Ankerelementen und den Rotoren ausgeglichen. Die magnetischen Kreise sind dazu in der Lage Drehkräfte zu erzeugen, um die Rotoren synchron in entgegengesetzte Richtungen zu drehen, und zwar stabil bei hohen Drehzahlen bzw. Geschwindigkeiten ohne eine übermäßige exzentrische Last den Lagern der Rotoren aufzuerlegen.
In der Vakuumpumpe mit positiver Verdrängung bzw. Fördermenge können die Pumpenrotoren durch den Zweiwellenelektromotor angetrieben werden, und die Drehzahl bzw. Drehgeschwindigkeit der Pumpe kann durch ein externes Signal verändert werden, das an einen Motorantrieb für den Zweiwellenelektromotor geliefert wird. Konsequenterweise kann die Fördermenge der Pumpe gesteuert werden durch die Steuerung des Zweiwellenelektromotors. Ein Strom, der an den Zweiwellenelektromotor geliefert wird, typischerweise einen bürstenlosen Gleichstrommotor, wird überwacht und gesteuert, um die Drehgeschwindigkeit desselben zu variieren, um die Vakuumpumpe mit positiver Verdrängung bzw. Fördermenge vor Überlastung zu schützen. Entsprechend ist die Vakuumpumpe mit positiver Verdrängung bzw. Fördermenge von Einschränkungen bezüglich ihres Betriebsbereichs frei, die ansonsten durch die Veränderungen in der Last eines durch die Vakuumpumpe mit positiver Verdrängung bzw. Fördermenge verarbeiteten Gases erfoderlich wären.
Die obigen und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen ersichtlich, welche bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beispielhaft beschreiben.
Fig. 1 ist eine axiale Querschnittsansicht eines Mehrfachwellenelektromotors entsprechend einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht, und zwar entlang der Linie II-II der Fig. 1;
Fig. 3a, 3b und 3c sind Querschnittsansichten, die die Art und Weise zeigen, in welcher der in den Fig. 1 uns 2 gezeigte Mehrfachwellenelektromotor betrieben wird;
Fig. 4 ist ein Zeitablaufdiagramm eins Strommusters in welchem Spulen erregt werden, wenn der in den Fig. 1 und 2 gezeigte Mehrfachwellenelektromotor wie in den Fig. 3a bis 3c gezeigt betrieben wird;
Fig. 5a, 5b und 5c sind Schaltkreisdiagramme, die zeigen, wie die Spulen erregt werden, wenn der in den Fig. 1 und 2 gezeigte Mehrfachwellenelektromotor wie den Fig. 1 bis 3 gezeigt betrieben wird;
Fig. 6 ist eine Querschnittsansicht eines Mehrfachelektromotors entsprechend einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erinnerung;
Fig. 7 ist eine Querschnittsansicht einer Modifikation des Mehrfachwellenelektromotors, der in Fig. 6 gezeigt ist;
Fig. 8 ist eine Querschnittsansicht einer anderen Modifikation des in Fig. 6 gezeigten Mehrfachwellenelektromotors;
Fig. 9 ist eine Querschnittsansicht eines Mehrfachwellenelektromotors entsprechend einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 10a und 10b sind Seiten bzw. Querschnittsansichten eines Mehrfachwellenelektromotors entsprechend einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 11 ist eine Querschnittsansicht eines Mehrfachwellenelektromotors entsprechend einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 12 ist ein Zeitablaufdiagramm eines Strommusters, in welchem Spulen erregt werden, wenn der Mehrfachwellenelektromotor, der in Fig. 11 gezeigt ist, betrieben wird;
Fig. 13a, 13b und 13c sind Schaltkreisdiagramme, die zeigen, wie die Spulen erregt werden, wenn der Mehrfachwellenelektromotor, der in Fig. 11 gezeigt ist, betrieben wird;
Fig. 14 ist eine Querschnittsansicht eines Mehrfachwellenelektromotors entsprechend einer sechsten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 15 ist eine axiale Querschnittsansicht einer Vakuumpumpe mit positiver Verdrängung bzw. Fördermenge entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche einen Mehrfachwellenelektromotor entsprechend der vorliegenden Erfindung aufweist;
Fig. 16 ist eine Querschnittsansicht, und zwar entlang der Linie 16-16 der Fig. 15;
Fig. 17 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 17-17 der Fig. 15;
Fig. 18 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 18-18 der Fig. 15;
Fig. 19 ist ein Blockdiagramm eines Motorantriebs eines Zweiwellenelektromotors, der in der Vakuumpumpe mit positiver Verdrängung bzw. Fördermenge der Fig. 15 eingearbeitet ist;
Fig. 20 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Drehzahl bzw. Drehgeschwindigkeit und dem Drehmoment und die Beziehung zwischen dem Strom und dem Drehmoment zeigt;
Fig. 21 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen den Motoreigenschaften und der Pumpenarbeitsweise in der Vakuumpumpe mit positiver Verdrängung bzw. Fördermenge zeigt;
Fig. 22 ist eine achsiale Querschnittsansicht einer Vakuumpumpe mit positiver Verdrängung bzw. Fördermenge entsprechend einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 23 ist eine achsiale Querschnittsansicht einer herkömmlichen Zweiwellenkreiselmaschine;
Fig. 24 ist eine achsiale Querschnittsansicht eins herkömmlichen Zweiwellenelektromotors; und
Fig. 25 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 25-25 der Fig. 24.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Gleiche oder entsprechende Teile werden durch gleiche oder entsprechende Bezugszeichen in den Ansichten bezeichnet.
Ein Mehrfachwellenelektromotor entsprechend einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unten mit Bezug auf die Fig. 1 bis 5a, 5b und 5c beschrieben.
Wie in Fig. 1 gezeigt, hat der Mehrfachwellenelektromotor ein Paar von Rotoren 2a, 2b, die in einem Motorrahmen (motor frame) 1 angeordnet sind und drehbar in dem Motorrahmen 1 durch entsprechende Sätze von Lagern 5 nahe entgegengesetzter Enden der Wellen der Rotoren 2a, 2b getragen werden. Wie in Fig. 2 gezeigt haben die Rotoren 2a, 2b entsprechende ringförmige Permanentmagneten 2a, 2b die umfänglich um die Rotorwellen angeordnet sind, wobei jeder aus zwei n-Polen besteht (n = die Zahl der magnetischen Pole) die symmetrisch in gleichen Winkelintervallen um die Rotorwellen angeordnet sind, und zwar zum Erzeugen radialer magnetischer Flüsse. In der ersten Ausführungsform hat der Permanentmagnet 2a, 2b jedes der Rotoren 2A, 2B n = 2 Polpaare und vier Pole S, N, S, N.
Eine Vielzahl von Ankerelementen 3a&sub1;-3a&sub6; ist in gleichen Winkelintervallen vollständig um den Rotor 2A innerhalb des Motorrahmens 1 angeordnet, und eine Vielzahl von Ankerelementen 3b&sub1;-3b&sub6; ist in gleichen Winkelintervallen vollständig um den Rotor 2B innerhalb des Motorrahmens 1 angeordnet. Benachbarte zwei dieser Ankerelemente 3a&sub1;-3a&sub6;, 3b&sub1;-3b&sub6; sind winkelbeabstandet mit einer Teilung von 60º. Die Ankerelemente 3a&sub1;-3a&sub6;, 3b&sub1;-3b&sub6; weisen entsprechende radial sich nach innen erstreckenden Polzähne U-Z, U1-Z1 auf einem Ankerkern Ac und entsprechende Spulen 4a, 4b auf, die entsprechend auf den Polzähnen U-Z, U1-Z1 angeordnet sind. In umfänglich gleichen Intervallen positioniert, und die Spulen 4a, 4b sind auf den entsprechenden Polzähnen U-Z, U1-Z1 angeordnet, so daß, wenn die Spulen 4a, 4b erregt werden, die Ankerelemente 3a&sub1;-3a&sub6;, 3b&sub1;-3b&sub6; magnetische Pole erzeugen, die symmetrisch sind und entgegengesetzt bezüglich einer zentralen Ebene C, die zwischen den entsprechenden Achsen der Rotoren 2A, 2B liegt. Die Spulen 4b sind in einer Richtung gewickelt, die entgegengesetzt ist zu der Richtung, in welcher die Spulen 4a gewickelt sind.
Die Arbeitsweise des Mehrfachwellenelektromotors, der in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, wird unten mit Bezug auf die Fig. 3A, 3B und 3C beschrieben. In den Fig. 3A, 3B und 3C sind nur die Rotoren 2A, 2B und die Ankerelemente 3a&sub1;-3a&sub6;, 3b&sub1;-3b&sub6; zur Veranschaulichung gezeigt.
Wenn die Spulen 4a, 4b erregt werden, so erzeugen die Ankerelemente 3a&sub1;-3a&sub6;, 3b&sub1;-3b&sub6; räumlich sich verändernde bzw. bewegende magnetische Felder zum Drehen der Rotoren 2A, 2B in entgegengesetzte Richtungen. Spezieller, wenn die Spulen 4a, 4b erregt werden, so daß die Polzähne U, X N-Pole erzeugen, die Polzähne V, Y S-Pole erzeugen, die Polzähne U1, X1 S-Pole erzeugen und die Polzähne V1, Y1 N-Pole erzeugen, und zwar alle simultan, wie in Fig. 3A gezeigt, so werden die Rotoren 2A, 2B in entgegengesetzte Richtungen gedreht, wie durch die Pfeile gezeigt.
Wenn die Spulen 4a, 4b so erregt werden, daß die Polzähne V, Y S-Pole erzeugen, die Polzähne W, Z N-Pole erzeugen, die Polzähne V1, Y1 N-Pole erzeugen und die Polzähne W1, 21 S-Pole erzeugen, und zwar alle simultan, wie in Fig. 3B gezeigt, so werden die Rotoren 2A, 2B in entgegengesetzte Richtungen gedreht, wie durch die Pfeile gezeigt. Weiterhin, wenn die Spulen 4a, 4b so erregt werden, daß die Polzähne X, U S-Pole erzeugen, die Polzähne W, Z N- Pole erzeugen, die Polzähne V1, Y1 N-Pole erzeugen, und die Polzähne W1, Z1 S-Pole erzeugen, und zwar alle simultan, wie in Fig. 3C gezeigt, so werden die Rotoren 2A, 2B unter sukzessiven Drehkräften in entgegengesetzte Richtungen gedreht, wie durch die Pfeile gezeigt.
Durch die Permanentmagnete 2a, 2b der Rotoren 2A, 2B erzeugte magnetische Felder durchlaufen magnetische Wege, die zwischen den Rotoren 2A, 2B geformt und geschlossen werden, und zwar durch die Ankerelemente. Deshalb wirkt eine magnetische Kopplung auf die ungleichen magnetischen Pole der Rotoren 2A, 2B zum Drehen der Rotoren 2A, 2B, und zwar in entgegengesetzten Richtungen.
Fig. 4 ist ein Zeitablaufdiagramm eines Strommusters, in welchem die Spulen 4a, 4b erregt werden, wenn der in den Fig. 1 und 2 gezeigte Mehrfachwellenektromotor wie in den Fig. 3A, 3B und 3C betrieben wird. Speziell, stellt das in der Fig. 4 gezeigte Muster ein Muster dar, in welchem Gleichströme an die Spulen 4a auf den Polzähne U-Z geliefert werden und Gleichströme an die Spulen 4b auf die Polzähne U1-Z1 geliefert werden. Wenn die Spulen 4a, 4b in dem in Fig. 4 gezeigtem Muster erregt werden, so wird ein räumlich sich verändernde bzw. bewegendes magnetisches Feld, d. h. ein rotierendes magnetisches Feld erzeugt, um die magnetischen Zähne U-Z, U1-Z1 wie in den Fig. 3A, 3B und 3C gezeigt zu magnetisieren, wobei dabei die Rotoren 2A, 2B veranlaßt werden, synchron in entgegengesetzte Richtungen zu rotieren, wie oben beschrieben. Ein elektrischer Schaltkreis (nicht ge zeigt) zum Liefern der Gleichströme an die Spulen 4a, 4b in dem in Fig. 4 gezeigten Muster bzw. auf die in Fig. 4 gezeigte Weise kann aus existierenden elektrischen Komponenten wie zum Beispiel Halbleitereinrichtungen oder ähnlichem hergestellt werden.
Fig. 5A, 5B und 5C zeigen, wie die Spulen 4a, 4b erregt werden, wenn der Mehrfachwellenelektromotor, der in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, wie in den Fig. 3A, 3B und 3C gezeigt betrieben wird. Speziell zeigt die Fig. 5A, wie die Spulen 4a, 4b erregt werden, wenn der Mehrfachwellenelektromotor auf die in Fig. 3A gezeigte Weise betrieben wird. Fig. 5 zeigt, wie die Spulen 4a, 4b erregt werden, wenn der Mehrfachwellenelektromotor auf die in Fig. 3B gezeigte Weise betrieben wird und Fig. 5C zeigt, wie die Spulen 4a, 4b erregt werden, wenn der Mehrfachwellenelektromotor auf die in Fig. 3C gezeigte Weise betrieben wird.
Entsprechend der ersten Ausführungsform, die in den Fig. 1 bis 5A, 5B und 5C gezeigt ist, werden die Rotoren 2A, 2B mit den ringförmigen Permanentmagnete 2a, 2b nebeneinander liegend angeordnet und voll umfänglich von den Ankerelemente 3a&sub1;-3a&sub6;, 3b&sub1;-3b&sub6; umgeben, und die Permanentmagneten 2a, 2b haben mehrere Paare ungleicher magnetischer Pole zum Vorsehen einer magnetischen Kopplung zwischen den Rotoren 2A, 2B durch die Ankerelemente. Deshalb können die Rotoren 2A, 2B synchron in entgegengesetzte Richtungen durch die magnetische Kopplung gedreht werden, und die Lager 5 unterliegen nicht einer übermäßigen exzentrischen Last, sondern einer radial ausgegliche nen Last. Konsequenterweise können die Rotoren 2A, 2B und somit die entsprechenden zwei Wellen des Elektromotors synchron zueinander rotiert werden, und zwar stabil bei hohen Geschwindigkeiten und der Elektromotor hat eine lange Lebensdauer.
Weiterhin hat die magnetische Kopplung ein großes Gebiet, da die magnetische Kopplung zwischen mehreren Paaren ungleicher magnetischer Pole der Permanentmagnete 2a, 2b zwischen den Rotoren 2A, 2B vorgesehen ist. Große synchronisierende Kräfte, die frei von pulsierenden Kräften sind, werden erzeugt, um die Rotoren 2A, B synchron zueinander zu drehen, da eine uniforme bzw. gleichförmige Luftspaltlänge vollständig um die Rotoren 2A, 2B herum erreicht wird.
Zusätzlich werden, wenn die Rotoren 2A, 2B angetrieben werden, die Spulen 4a, 4b erregt werden, und zwar so, daß symmetrisch positionierte Ankerelemente ungleiche magnetische Pole erzeugen. Konsequenterweise wird ein hoher magnetischer Kopplungseffekt erzeugt, und zwar auf die Erregung der Spulen 4a, 4b hin zusätzlich zu dem magnetischen Kopplungseffekt der vorhanden ist, wenn die Spulen 4a, 4b nicht erregt werden.
Fig. 6 zeigt einen Querschnittsabschnitt eines Mehrfachwellenelektromotors entsprechend einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Gemäß der zweiten Ausführungsform werden die Ankerelemente in solche unterteilt, die entsprechende Phasen haben, um ungleiche magnetische Pole in symmetrischen Positionen von benachbar ten Rotoren zu koppeln. Speziell, wie in Fig. 6 gezeigt, hat der Mehrfachwellenelektromotor Permanentmagnete 2a auf einem Rotor 2A und Permanentmagnete 2b auf einem Rotor 2B, welche so angeordnet sind, daß magnetische Kopplung zwischen ungleichen magnetischen Polen in deren symmetrischen Positionen erzeugt werden. Der Mehrfachwellenelektromotor hat auch Ankerelemente 3a&sub1;-3a&sub6;, 3b&sub1;- 3b&sub6;, die vollumfänglich um die Rotoren 2A, 2B angeordnet sind. Die Ankerelemente 3a&sub1;-3a&sub6;, 3b&sub1;-3b&sub6; weisen entsprechende radial nach innen sich ausstreckende Polzähne U-Z, U1-Z1 auf Ankerkernen Ac1-Ac1 und entsprechende Spulen 4a, 4b auf, die entsprechenden auf den Polzähnen U-Z, U1-Z1 angebracht sind. Die Ankerelemente 3a&sub1; -3a&sub6;, 3b&sub1;-3b&sub6; sind nur in entsprechenden Phasen verbunden, zum Beispiel sind die mit den Phasen U, U1 assoziierten Ankerelemente miteinander verbunden, die mit den Phasen V, V1 assoziierten Ankerelemente sind miteinander verbunden die mit den Phasen W, W1 assoziierten Ankerelemente sind miteinander verbunden, die mit den Phasen Y, Y1 assoziierten Ankerelemente sind miteinander verbunden, die mit den Phasen Y, Y1 assoziierten Ankerelemente sind miteinander verbunden und die mit den Phasen Z, Z1 assoziierten Ankerelemente sind miteinander verbunden.
Mit der obigen Anordnung, die n Fig. 6 gezeigt ist, ist es möglich, die Rotoren 2A, 2B zwischen ungleichen magnetischen Polen in deren symmetrischen Positionen magnetisch zu koppeln. Insbesondere wird ein hoher magnetischer Kopplungseffekt erzielt, wenn die Spulen 4a, 4b nicht erregt werden. Wenn die Spulen 4a, 4b wie in den Fig. 3A, 3B und 3C und 5A und 5B und 5C gezeigt, erregt werden, so werden die Rotoren 2A, 2b synchron in entgegensetzte Richtungen gedreht.
Fig. 7 zeigt eine Modifikation des Mehrfachwellenelektromotors, der in Fig. 6 gezeigt ist. Gemäß der Modifikation werden Rotoren 2A, 2B mit ringförmigen Permanentmagneten 2a, 2b durch Ankerelemente umgeben, die Polzähne "a"-"1", "a1"-"11" mit Spulen 4a, 4b haben, wobei die Polzähne "a"-"1", "a1"-"11" in entsprechenden Paaren verbunden sind, um magnetische Wege für die Rotoren 2A, 2B klar zu definieren.
Fig. 8 zeigt eine andere Modifikation des Mehrfachwellenelektromotors, der in Fig. 6 gezeigt ist. In Fig. 8 sind die Polzähne in entsprechenden Paaren verbunden, um magnetische Wege für die Rotoren 2A, 2B mit ringförmigen Permanentmagneten 2a, 2b klar zu definieren.
Wenn die modifizierten Mehrfachwellenelektromotoren, die in den Fig. 7 und 8 gezeigt sind, angeordnet werden, um einen magnetischen Kopplungseffekt in Abwesenheit der Spulen 4a, 4b vorzusehen, so wird eine parallele magnetische Kopplungsseinrichtung vorgesehen, die dazu in der Lage ist, die parallelen Rotoren 2A, 2B synchron in entgegengesetzte Richtungen zu drehen.
Fig. 9 zeigt einen Querschnittsabschnitt eines Mehrfachwellenelektromotors gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Gemäß der dritten Ausführungsform wird ein Ankerkern durch Luftspalte unterteilt, um jene magnetischen Wege zu blockieren die sich von den magnetischen Wegen zum Koppeln ungleicher magnetischer Pole in symmetrischen Positionen von benachbarten Rotoren zu unterscheiden. Speziell, wie in Fig. 9 gezeigt, weist der Mehrfachwellenelektromotor folgendes auf: ein Paar von Rotoren 2A, 2B mit darauf angebrachten ringförmigen Permanentmagneten 2a, 2b, und eine Vielzahl von Ankerelementen 3a&sub1;-3a&sub6;, 3b&sub1;-3b&sub6;, die in gleichen Winkelabständen vollumfänglich um die Rotoren 2A, 2B angeordnet sind. Benachbarte zwei dieser Ankerelemente 3a&sub1;-3a&sub6;, 3b&sub1;-3b&sub6; sind winkelbeabstandet mit einer Teilung von 60º. Die Ankerelemente 3a&sub1;-3a&sub6;, 3b&sub1;-3b&sub6; weisen folgendes auf: radial sich nach innen erstreckende Polzähne U-Z auf einem Ankerkern Ac&sub1;, radial sich nach innen erstreckende Polzähne U1-Z1 auf einem Ankerkern Ac&sub2;, und Spulen 4a, 4b, die entsprechend auf den Polzähnen U-Z, U1-Z1 angeordnet sind. Die Polzähne U-Z, U1-Z1 sind in umfänglich gleichen Intervallen positioniert und die Spulen 4a, 4b sind auf den entsprechenden Polzähnen U- Z, U1-Z1 so angeordnet, daß, wenn die Spulen 4a, 4b erregt werden, die Ankerelemente 3a&sub1;-3a&sub6;, 3b&sub1;-3b&sub6; magnetische Pole erzeugen, die symmetrisch sind und entgegengesetzt bezüglich einer zentralen Ebene C, die zwischen den entsprechenden Achsen der Rotoren 2A, 2B liegen. Die Spulen 4b sind in einer Richtung gewickelt, die entgegengesetzt ist zu der Richtung, in welcher die Spulen 4a gewickelt sind.
Die Polzähne U-Z auf dem Ankerkern Ac&sub1; sind in zwei gleiche Gruppen von Polzähnen U, Y, Z und V, X, W durch obere und untere Einschnitte 5a unterteilt, die im Ankerkern Ac&sub1; entlang einer alternierend Lang- und Kurzstrichlinie definiert sind, welche sich senkrecht zu einer Linie ersteckt, die die Achsen der Rotoren 2A, 2B verbindet und die Achse des Rotors 2A durchläuft. Auf ähnliche Weise sind die Polzähne U1-Z1 auf dem Ankerkern Ac&sub2; in zwei gleiche Gruppen von Polzähnen U1, Y1, Z1, und V1, X1, W1 durch obere und untere Einschnitte 5b unterteilt, die in dem Ankerkern Ac&sub2; entlang einer alternierend Lang- und Kurzstrichlinie definiert sind, welche sich senkrecht zu einer Linie erstreckt, die die Achsen der Rotoren 2A, 2B verbindet und durch die Achse des Rotors 2B läuft.
Andere strukturelle Details des Mehrfachwellenelektromotors der in Fig. 9 gezeigt ist, sind identisch mit denen des Mehrfachwellenelektromotors, der in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist. Wenn die Spulen 4a, 4b erregt werden, wie in den Fig. 3A, 3B und 3C und 5A, 5B und 5C gezeigt, so werden die Rotoren 2A, 2B synchron zueinander in entgegengesetzte Richtungen gedreht. Die Einschnitte 5a, 5b sind effektiv im Erhöhen eines magnetischen Kopplungseffekts zwischen den Polzähnen V, V1 und auch zwischen den Polzähnen X, X1, wobei dabei eine synchrone Drehung der Rotoren 2A, 2B in entgegengesetzte Richtungen gesichert wird.
Ein Mehrfachwellenelektromotor entsprechend einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 10A und 10B gezeigt. Entsprechend der vierten Ausführungsform erstrecken sich magnetische Kopplungsstäbe eines magnetischen Materials zwischen ungleichen magnetischen Polen von Rotoren. Speziell, wie in Fig. 10A gezeigt, hat der Mehrfachwellenelektromotor eine Vielzahl von inversen U-förmige magnetischen Kopplungsstangen 7a, 7b, 7c aus magnetischem Material. Wie in Fig. 10B gezeigt, weist der Mehrfachwellenelektromotor auch folgendes auf: ein Paar von Rotoren 2A, 2B, mit ringförmigen Permanentmagneten 2a, 2b die darauf angebracht sind, eine Vielzahl von Ankerelementen, die in gleichen Winkelintervallen vollumfänglich um die Rotoren 2A, 2B angeordnet sind. Die Ankerelemente weisen folgendes auf: radial sich nach innen erstreckende Polzähne U-Z, U1-Z1 auf einem Ankerkern Ac, und Spulen 4a, 4b, die entsprechend auf den Polzähnen U-Z, U1-Z1 angeordnet sind. Die magnetischen Kopplungsstangen 7a, 7b und 7c haben Beine, die entsprechend in Schlitze S eingefügt sind, die im Ankerkern Ac zwischen den Polzähnen U-Z, U1-Z1 definiert sind, und dadurch geschlossene magnetische Wege zwischen ungleichen magnetischen Polen der Rotoren 2A, 2B liefern. Gewisse Luftspalte werden zwischen dem Ankerkern 1c und den magnetischen Kopplungsstangen 7a, 7b und 7c hinterlassen. Magnetische Flüsse, die durch die Schlitze S hindurchströmen sind magnetisch gekoppelt an ungleichen magnetischen Polen der Rotoren 2A, 2B zum Drehen der Rotoren 2A, 2B synchron in entgegengesetzte Richtungen. Die magnetischen Kopplungsstangen 7a, 7b, und 7c sind effektiv im Erhöhen eines magnetischen Kopplungseffekts, wenn die Spulen 4a, 4b nicht erregt sind. Da die Beine der magnetischen Kopplungsstangen 7a, 7b und 7c in die Schlitze S eingefügt sind, welche symmetrisch zwischen den beiden Sätzen von Ankerelementen positioniert sind, können die Beine der magnetischen Kopplungsstangen 7a, 7b, und 7c leicht in die Schlitze S eingefügt werden. Deshalb können die magnetischen Kopplungsstangen 7a, 7b und 7c leicht an Ort und Stelle befestigt werden, und zwar ohne magnetische Interferenz miteinander.
Fig. 11 zeigt einen Querschnittsabschnitt eines Mehrfachwellenelektromotors entsprechend einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Gemäß der fünften Ausführungsform hat ein Paar von nebeneinanderliegenden Rotoren 2A, 2B eine unterschiedliche Anzahl von magnetischen Polen, so daß die Rotoren 2A, 2B in entgegengesetzte Richtungen mit verschiedenen Drehgeschwindigkeiten gedreht werden können. D. h., die Rotoren 2A und 2B werden in einem Verhältnis der Drehgeschwindigkeiten gedreht, gemäß eines Verhältnisses der Anzahl von magnetischen Polen. Wie in Fig. 11 gezeigt, hat der Rotor 2A Permanentmagnete 2a, die vier Pole S, N, S, N aufweisen, und der Rotor 2B hat Permanentmagneten 2b, die sechs Pole N, S, N, S, N aufweisen. Jeder dieser Permanentmagnete 2a hat dieselbe Außenumfangslänge wie jeder der Permanentmagnete 2b. Das Verhältnis der Anzahl der magnetischen Pole der Rotoren A und B ist 2 : 3.
Eine Vielzahl von Ankerelementen 3a&sub1;-3a&sub6; ist in gleichen Winkelintervallen vollständig um den Rotor 2A innerhalb des Motorrahmens 1 angeordnet, und eine Vielzahl von Ankerelementen 3b&sub1;-3b&sub9; ist in gleichen Winkelintervallen vollständig um den Rotor 2B innerhalb des Motorrahmens 1 angeordnet. Die Ankerelemente 3a&sub1;-3a&sub6; sind winkelbeabstandet mit einer Teilung von 60º im Rotor 2A, und die Ankerelemente 3b&sub1;-3b&sub9; sind winkelbeabstandet mit einer Teilung von 40º im Rotor 2B. Die Ankerelemente 3a&sub1;-3a&sub6;, 3b&sub1;-3b&sub9; weisen entsprechende radial nach innen sich erstreckende Polzähne U-Z, U1-Z1 und X2-Z2 auf Ankerkernen Ac&sub1;-Ac&sub7; und entsprechende Spulen 4a, 4b auf, die entsprechend auf den Polzähnen U-Z, U1-Z1 und X2-Z2 angebracht sind.
Fig. 12 ist ein Zeitablaufdiagramm eines Strommusters, in welchem die Spulen 4a, 4b erregt werden, wenn der Mehrfachwellenelektromotor, wie in Fig. 11 gezeigt vorliegt. Fig. 13A, 13B und 13C sind Schaltkreisdiagramme, die zeigen, wie die Spulen 4a, 4b erregt sind, wenn der Mehrfachwellenelektromotor, wie in Fig. 11 gezeigt, betrieben wird. Durch Anlegen von Gleichströmen an die Spulen 4a und 4b, wie in den Fig. 12, 13A, 13B und 13C gezeigt, wird ein räumlich veränderliches Magnetfeld, d. h., ein Drehmagnetfeld erzeugt, um die magnetischen Zähne U-Z, V1-Z1 und X2-Z2 zu magnetisieren, wobei dadurch die Rotoren 2A, 2B veranlaßt werden, sich synchron in entgegengesetzte Richtungen zu drehen. In diesem Fall werden die Rotoren 2A und 2B mit einem Verhältnis 3 : 2 gedreht, welches eine umgekehrte Proportion zu einem Verhältnis der Anzahl der magnetischen Pole ist, d. h., 2 : 3.
Der Mehrfachwellenelektromotor in der fünften Ausführungsform ist vorzugsweise anwendbar auf den Schrauben- oder Spindelkompressor oder ähnliches, in welchem ein Paar von Pumpenrotoren mit einem gewissen Verhältnis von Drehgeschwindigkeiten bzw. Drehzahlen gedreht wird.
Fig. 14 zeigt einen Querschnitt eines Mehrfachwellenelektromotors gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Speziell weist der Mehrfachwellenelektromotor 4 Rotoren 2A, 2B, 2C, 2D auf, die magnetisch gekoppelt sind zur synchronen Drehung in entgegengesetzte Richtungen, wie durch die Pfeile angezeigt. Der Mehrfachwellenelektromotor gemäß der sechsten Ausführungsform kann vorteilhafterweise verwendet werden in Kombination mit einem Umrührer (stirrer) oder ähnlichem, welcher drei oder mehrere drehende Wellen erfordert.
Eine Vakuumpumpe mit positiver Verdrängung bzw. Fördermenge gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche einen Mehrfachwellenelektromotor entsprechend der vorliegenden Erfindung aufweist, wird unten beschrieben mit Bezug auf die Fig. 15 bis 21.
Wie in den Fig. 15 und 16 gezeigt, hat die Vakuumpumpe mit positiver Verdrängung ein Gehäuse 11 und ein Paar von Roots-Rotoren 12 als Pumpenrotoren, die in dem Gehäuse 11 angeordnet sind. Jeder der Roots-Rotoren 12 ist drehbar im Gehäuse 11 durch ein Paar von Lagern 13 nahe entgegengesetzten Enden der Welle unterstützt. Die Roots-Rotoren 12 können durch einen Zweiwellenelektromotor M Gedreht werden, welcher aus einer Struktur wie in den Fig. 1 bis 5A, 5B und 5C gezeigt, besteht.
Der Zweiwellenelektromotor M wird im Detail in den Fig. 17 und 18 gezeigt. Wie in den Fig. 17 und 18 gezeigt, hat der Zweifachwellenelektromotor M ein Paar von Rotoren 2A, 2B, die koaxial an die Enden entsprechender Wellen der Roots-Rotoren 12 befestigt sind. Die Rotoren 2A, 2B haben entsprechende ringförmige Permanentmagnete 2a, 2b, die umfänglich um die Rotorwellen angeordnet sind, wobei jede aus 2n-Polen (n = Anzahl der Polpaare) besteht, die symmetrisch in gleichen Winkelintervallen um die Rotorwelle angeordnet sind, um radial magnetische Flüsse zu erzeugen. In dieser Ausführungsform hat der Permanentmagnet 2a, 2b jedes der Rotoren 2A, 2B n = zwei Polpaare und vier Pole S, N, S, N.
Eine Vielzahl von Ankerelementen 3a&sub1;-3a&sub6; sind in gleichen Winkelintervallen vollständig um den Rotor 2A innerhalb des Motorrahmens bzw. Motorgestells 1 angeordnet, mit einer Kapsel bzw. einem Gehäuse 8 aus synthetischem Harz bzw. Kunstharz zwischen dem Rotor 2A und den Ankerelementen 3a&sub1;-3a&sub6;, und eine Vielzahl von Ankerelementen 3b&sub1;-3b&sub6; ist in gleichen Winkelabständen vollständig um den Rotor 2B innerhalb des Motorrahmens 1 angeordnet mit einer Kapsel bzw. einem Gehäuse 8 aus Kunstharz zwischen dem Rotor 2A und den Ankerelementen 3a&sub1;- 3a&sub6;. Benachbarte zwei dieser Ankerelemente 3a&sub1;-3a&sub6;, 3b&sub1; -3b&sub6;, sind winkelbeabstandet mit einer Teilung von 60º. Die Ankerelemente 3a&sub1;-3a&sub6;, 3b&sub1;-3b&sub6; weisen entsprechende radial sich nach innen erstreckende Polzähne U- Z, U1-Z1 auf einem Ankerkern Ac und entsprechende Spulen 4a, 4b auf, die entsprechend auf den Polzähnen U-Z, U1-Z1 angebracht sind. Die Polzähnen U-Z, U1-Z1 sind in umfänglich gleichen Intervallen positioniert, und die Spulen 4a, 4b sind auf den entsprechenden Polzähnen U -Z, U1-Z1 so angeordnet, daß, wenn die Spulen 4a, 4b erregt sind, die Ankerelemente 3a&sub1;-3a&sub6;, 3b&sub1;-3b&sub6; magnetische Pole erzeugen, die symmetrisch sind und entgegengesetzt bezüglich einer zentralen Ebene C, die zwischen den entsprechenden Achsen der Rotoren 2A, 2B liegt. Die Spulen 4b sind in einer Richtung gewickelt, die entgegengesetzt ist zu der Richtung, in welcher die Spulen 4a gewickelt sind.
Wie in Fig. 15 gezeigt ist ein Motorantrieb 10 zur Steuerung des Betriebes des Zweiwellenelektromotors M fest auf dem Motorrahmen 1 angebracht.
Zwei in Eingriff miteinander stehende Zeitsteuerzahnräder oder Synchronisierzahnräder 21 (nur eines ist in Fig. 15 gezeigt) sind entsprechend fest an den Enden der Wellen der Roots-Rotoren 12 angebracht, die entfernt sind vom Zweiwellenelektromotor M. Die Zeitsteuerzahnräder 21 dienen dazu, um die Roots-Rotoren 12 vor dem Rotieren aus der Synchronisierung miteinander heraus unter zufälligen Störkräften zu schützen.
Die Vakuumpumpe mit positiver Verdrängung arbeitet wie folgt:
Wenn die Spulen 4a, 4b des Zweiwellenelektromotors M erregt werden durch den Motorantrieb 10, so erzeugen die Ankerelemente 3a&sub1;-3a&sub6;, 3b&sub1;-3b&sub6; räumlich bewegliche bzw. veränderliche magnetische Felder zum Drehen der Rotoren 2A, 2B in entgegengesetzte Richtungen. Die Prinzipien der Rotation des Zweiwellenelektromotors M werden nicht im Detail hier beschrieben, da sie oben mit Bezug auf die Fig. 3A-3C bis 5A-5C beschrieben wurden.
Wenn die Rotoren 2A, 2B synchron in entgegengesetzte Richtungen gedreht werden, so rotieren die synchronisierten Roots-Rotoren 12 in entgegengesetzten Richtungen aus Kontakt miteinander heraus, wobei ein kleiner Abstand zwischen den Innenoberflächen des Gehäuses 11 und den Roots-Rotoren 12 und auch zwischen den Roots-Rotoren 12 selbst beibehalten wird. Wenn die Roots-Rotoren 12 rotieren so wird ein Gas, welches aus einem Einlaßanschluß in das Gehäuse 11 gezogen wird, wie durch die Pfeile in Fig. 16 angezeigt, zwischen den Roots-Rotoren 12 und dem Gehäuse 11 eingefangen und zum Auslaßanschluß geliefert. In dieser Ausführungsform hat jeder der Roots-Rotoren 12 drei Keulen und somit drei darin befindliche Einschnitte bzw. Ausnehmungen. Deshalb wird das Gas aus der Vakuumpumpe mit positiver Verdrängung sechsmal per Umlauf der Vakuumpumpe mit positiver Verdrängung herausgelassen bzw. entladen.
In dieser Ausführungsform weist der Zweiwellenelektromotor M einen Zweiwellen-bürstenlosen Gleichstrommotor auf, und der Motorantrieb 10 hat eine Funktion, den Zweiwellenbürstenlosen Gleichstrommotor zu steuern, um selektiv bei veränderlichen Drehgeschwindigkeiten zu rotieren, und er hat auch eine Funktion, um den Zweiwellen-bürstenlosen Gleichstrommotor vor Überlastung zu schützen.
Fig. 19 ist ein Blockdiagramm, das die Struktur des Motorantriebs 10 zeigt. Im Motorantrieb 10 wird ein Wech selstrom (alternate current AC) aus einer AC- Leistungsquelle 30 in einen Gleichstrom (direct current DC) durch einen Gleichrichterschaltkreis 14 umgewandelt, und Stromsignale aus einer Stromdetektiereinheit (current detecting unit CDU) 15, Phasensignale des Motorrotors und Drehgeschwindigkeitssignale des Motorrotors aus einer Positionsdetektierteinheit (position detecting unit PDU) 16, Drehgeschwindigkeitssteuersignale, welche externe Eingaben sind, werden in eine Steuereinheit 18 eingegeben, und somit werden Antriebssignale von der Steuereinheit 18 an einen Antriebsschaltkreis 19 geliefert, welcher den bürstenlosen Gleichstrommotor M antreibt. Die Steuereinheit 18 weist folgendes auf: eine Positionsdetektiersignalverarbeitungseinheit (position detecting signal processing unit PDPU) 22, eine Basiseinheit (base unit BU) 23, eine Drehgeschwindigkeitsdetketiereinheit (rotational speed detecting unit RSDU) 24 und eine PWM- (Pulsbreitenmoudlations-)Steuereinheit (PWM) 25.
Fig. 20 zeigt einen Graph, der illustrativ für die Beziehung zwischen der Drehgeschwindigkeit und dem Drehmoment und der Beziehung zwischen dem Strom und dem Drehmoment im bürstenlosen Gleichstrommotor M ist.
Der bürstenlose Gleichstrommotor M hat eine lineare Geschwindigkeits-über-Drehmoment charakteristische Kurve, wie in Fig. 20 gezeigt, so daß die Drehgeschwindigkeit des bürstenlosen Gleichstrommotors M ansteigt, wenn das dadurch erzeugte Drehmoment sinkt.
Fig. 21 zeigt eine Graph, der illustrativ ist für die Beziehung zwischen den Motorcharakteristiken und des Pumpenbetriebs der Vakuumpumpe mit positiver Verdrängung. Im Hinblick auf die Betriebslebensdauer der verwendeten Lager wird der bürstenlose Gleichstrommotor M gesteuert, um die Vakuumpumpe mit positiver Verdrängung bei einer gewissen konstanten Drehgeschwindigkeit zu betreiben, wenn das Drehmoment, das durch die Vakuumpumpe mit positiver Verdrängung erzeugt wird, gleich oder niedriger ist als ein geschätztes Drehmoment (rated torque) Nennausgangsgröße wie in Fig. 21 gezeigt.
Das Drehmoment und der Strom des bürstenlosen Gleichstrommotors M sind miteinander so korreliert, daß wenn das durch den bürstenlosen Gleichstrommotor M erzeugte Drehmoment ansteigt, der an den bürstenlosen Gleichstrommotor M gelieferte Strom auch ansteigt, wie in Fig. 20 gezeigt. Wenn der Strom, der an den bürstenlosen Gleichstrommotor M geliefert wird, ansteigt, so werden die Spulen 4a, 4b durch die Joule-Wärme erwärmt. Um den bürstenlosen Gleichstrommotor M vor dem Ausbrennen durch eine durch eine Überlast verursachte Wärme zu schützen, etabliert der Motorantrieb 10 einen voreingestellten Stromwert für den Motorstrom. Der Motorstrom wird durch die Stromdetektiereinheit 15 überwacht. Wenn der Motorstrom den voreingestellten Stromwert übersteigt, so steuert der Motorantrieb 10 den Motorstrom, um die Rotationsgeschwindigkeit bzw. Drehzahl der Vakuumpumpe mit positiver Verdrängung zu verringern, wie durch die Geschwindigkeitsabfallkurve in Fig. 21 gezeigt, wobei dabei die Pumpenlast verringert wird, um den Motor vor Überlastung zu schützen.
Weiterhin sind, wie in Fig. 20 gezeigt, die Drehgeschwindigkeit und die angelegte Spannung des bürstenlosen Gleichstrommotors (brushless direct current motor) M miteinander so korreliert, daß, wenn die angelegte Spannung steigt, die Drehgeschwindigkeit des Motors M steigt. In Fig. 20 ist die Beziehung zwischen den angelegten Spannungen V1 und V2 V1 > V2. Somit kann die Rotationsgeschwindigkeit bzw. Drehgeschwindigkeit des Motors M frei variiert werden durch Verändern der angelegten Spannungen an den Motor M. Wie in Fig. 19 gezeigt, können durch Liefern von Drehgeschwindigkeitssteuersignalen aus einer externen Einheit an die PWM-Steuereinheit 25 der Steuereinheit 18 die angelegten Spannungen an den Motor M gesteuert werden, was dazu führt, daß die Drehzahl des Motors M gesteuert wird.
Da die Kapseln bzw. Gehäuse 8 als Trennwände zwischen den Rotoren 2A, 2B und den Ankerelementen 3a&sub1;-3a&sub6;, 3b&sub1;-3b&sub6; angeordnet sind, ist der Innenraum der Vakuumpumpe mit positiver Verdrängung vollständig vom Außenraum isoliert. Demgemäß hat die Vakuumpumpe mit positiver Verdrängung eine verbesserte Leistung und ist frei von Problemen, welche ansonsten durch Umgebungsluft verursacht werden würden, die in die Vakuumpumpe mit positiver Verdrängung eintritt.
Weiterhin erlaubt der bürstenlose Gleichstrommotor M einen größeren Luftspalt zwischen den Rotoren 2A, 2B und den Ankerelemente 3a&sub1;-3a&sub6;, 3b&sub1;-3b&sub6; als Induktionsmotoren. Bis jetzt nutzen konventionelle elektrische Motoren, die mit Vakuumpumpen mit positiver Verdrängung bzw. Fördermenge kombiniert sind, Metallkapseln bzw. Metallgehäuse, die die Ursache für einen großen Verlust durch einen Wirbelstrom sind. Da die Kapseln 8 von größerer Dicke gemäß der illustrierten Ausführungsform sein können, können die Kapseln 8 aus synthetischem Harz bzw. Kunstharz bestehen, und erzeugen keinen Wirbelstromverlust, was zu einem Anstieg der Motoreffizienz führt.
Fig. 22 zeigt eine Vakuumpumpe mit positiver Verdrängung gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der in Fig. 22 gezeigten Ausführungsform werden die Prinzipien der vorliegenden Erfindung auf eine Schraubentyp-Vakuumpumpe bzw. Spindeltyp-Vakuumpumpe angewendet. Speziell ist ein Paar von Schraubenrotoren bzw. Spindelrotoren (screw rotors) 12 S (nur einer ist in der Fig. 22 gezeigt) in einem Gehäuse 11 angeordnet und drehbar darin durch Lager 13 unterstützt bzw. getragen. Die Schraubenrotoren 12A werden betriebsmäßig miteinander gekoppelt durch ineinander greifende Zahnräder 21 (nur eines ist in Fig. 22 gezeigt). Die Schraubenrotoren 12S können durch einen Zweiwellen-bürstenlosen Gleichstrommotor M gedreht werden, welcher identisch ist mit dem Zweiwellen-bürstenlosen Gleichstrommotor M entsprechend der Ausführungsform, die in Fig. 15 gezeigt ist. Die Vakuumpumpe mit positiver Verdrängung bzw. Fördermenge die in Fig. 22 gezeigt ist bietet die selben Vorteile wie jene Vakuumpumpe mit positiver Verdrängung bzw. Fördermenge, die in den Fig. 15 bis 21 gezeigt ist.
Der Mehrfachwellenelektromotor gemäß der vorliegenden Erfindung bietet die folgenden Vorteile: der Mehrfachwellenelektromotor kann eine Vielzahl von Wellen synchron miteinander durch eine magnetische Kupplung drehen. Da die Lager auf den Wellen nicht einer übermäßigen exzentrischen Last unterliegen, sondern einer radial ausgeglichenen Last, können die Wellen synchron miteinander gedreht werden, und zwar stabil bei hohen Geschwindigkeiten, und der Mehrfachwellenelektromotor hat eine lange Lebensdauer. Weiterhin hat die magnetische Kopplung einen großen Betriebsbereich und große Synchronisierkräfte, die frei von pulsierenden Kräften sind, werden erzeugt, um die Wellen synchron zu drehen, da eine uniforme bzw. gleichmäßige Luftspaltlänge vollständig um die Rotoren erreicht wird.
Die Vakuumpumpe mit positiver Verdrängung bzw. Fördermenge gemäß der vorliegenden Erfindung bietet die folgenden Vorteile:
(1) Durch Liefern eines Signals an den Motorantrieb für den bürstenlosen Gleichstrommotor kann die Drehgeschwindigkeit der Vakuumpumpe mit positiver Verdrängung variiert werden, um die Fördermenge der Pumpe zu steuern. Bis jetzt war es üblich, eine andere Komponente, wie zum Beispiel ein Ventil zu verwenden, um die Flußrate eines Gases anzupassen, das aus der Pumpe herausgelassen wird, bzw. von der Pumpe entladen wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine solche andere Komponente nicht notwendig. Weiterhin ist ein Inverter bzw. Umrichter zum Steu ern der Rotationsgeschwindigkeit des Motors nicht erfoderlich und der bürstenlose Gleichstrommotor wird nicht aufgrund eines momentanen Leistungsversagens gestoppt und kann somit die Vakuumpumpe mit positiver Verdrängung kontinuierlicher betreiben.
(2) Wenn die Rotationsgeschwindigkeit (Drehzahl) der Vakuumpumpe mit positiver Verdrängung verringert wird, ist es möglich, die Last an der Vakuumpumpe mit positiver Verdrängung zu reduzieren, und dadurch die Vakuumpumpe mit positiver Verdrängung vor Überlastung zu schützen. Solch eine Überlastungsschutzfähigkeit ist effektiv für Pumpen mit beschränkten Betriebsbereichen. Insbesondere kann eine mechanische Zusatzpumpe, welche ein gewisser Bereich auf den Auslaßanschluß Druck auferlegt, bisher unter Drücken betrieben werden, die niedriger als gewisse Drücke sind. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine solche mechanische Zusatzpumpe simultan mit einer Hilfspumpe in einem Gebiet von atmosphärischen Drücken betrieben werden und eine Entladungsrate bzw. Abgabe erhöhen, wenn der Einlaßdruck hoch ist, beispielsweise in er Nähe von atmosphärischen Drücken, zum Verkürzen der erforderlichen Zeit zum Entfernen des Gases aus einer Vakuumkammer.
(3) Der elektrische Motor der mit einer Vakuumpumpe mit positiver Verdrängung bzw. Fördermenge kombiniert ist kann einen gekapselten Motor (canned motor) aufweisen. Insbesondere in den Fällen, wo die Vakuumpumpe mit positiver Verdrängung bzw. Fördermenge in einer Halbleiterfabrikationsvorrichtung eingesetzt ist, welche ein hochre aktives, korridierendes Fluid bzw. Strömungsmittel handhabt, ist der gekapselte Motor effektiv im Schutz der Pumpenkomponenten vor reagieren bzw. korrodieren durch atmosphärische Luftlecks entlang der Wellen und auch im Erhöhen der Pumpenleistung.
(4) Da die Kapseln des elektrischen Motors aus Nichtmetall bestehen, zum Beispiel Kunstharz, können die Kapseln keinen Verlust durch einen Wirbelstrom verursachen, was dazu führt, daß die Motoreffizienz steigt. Zusätzlich werden die Betriebskosten der Vakuumpumpe mit positiver Verdrängung bzw. Fördermenge gesenkt.
Obwohl gewisse bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt und im Detail beschrieben wurden, können verschiedenen Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden; ohne vom Umfang der Ansprüche abzuweichen.

Claims

1. Mehrfachwellen-Elektromotor, welcher folgendes aufweist:

eine Vielzahl vom nebeneinanderliegenden Rotoren (2A, 2B) mit jeweils darumherum angeordneten Permanentmagneten (2a, 2b); und

eine Vielzahl von Sätzen von Ankerelementen (3a&sub1;-3a&sub6;, 3b&sub1;-3b&sub6;), die vollumfänglich jeweils um die Rotoren (2A, 2B) herum angeordnet sind, wobei die Permanentmagneten (2a, 2b) von zwei benachbarten Rotoren (2A, 2B) eine Vielzahl von Paaren ungleicher Magnetpole besitzen zum magnetischen Koppeln der Rotoren (2A, 2B) über die Ankerelemente (3a&sub1;-3a&sub6;, 3b&sub1;-3b&sub6;) zwischen den Permanentmagneten (2a, 2b);

wobei, wenn die benachbarten zwei Rotoren (2A, 2B) angetrieben werden sollen, die Ankerelemente (3a&sub1;-3a&sub6;, 3b&sub1;-3b&sub6;) der beiden benachbarten Rotoren (2A, 2B) erregt werden, so daß die Ankerelemente (3a&sub1;-3a&sub6;, 3b&sub1;- 3b&sub6;) in symmetrischen Positionen der benachbarten zwei Rotoren (2A, 2B) ungleiche Magnetpole erzeugen.

2. Mehrfachwellen-Elektromotor gemäß Anspruch 1, wobei die Ankerelemente (3a&sub1;-3a&sub6;, 3b&sub1;-3b&sub6;) in Ankerelemente mit jeweiligen Phasen unterteilt sind zum magnetischen Koppeln ungleicher Magnetpole in symmetrischen Positionen der benachbarten zwei Rotoren (2A, 2B).

3. Mehrfachwellen-Elektromotor gemäß Anspruch 1, wobei der Motor ferner einen Ankerkern (Ac) aufweist, wobei die Ankerelemente (3a&sub1;-3a&sub6;, 3b&sub1;-3b&sub6;) auf dem Ankerkern (Ac) angeordnet sind, wobei der Ankerkern (Ac) durch Luftspalte unterteilt ist, um Magnetpfade zu blockieren außer den Magnetpfaden zum magnetischen Koppeln ungleicher Magnetpole in symmetrischen Positionen der benachbarten zwei Rotoren (2A, 2B).

4. Mehrfachwellen-Elektromotor gemäß Anspruch 1, wobei der Motor ferner eine Vielzahl von magnetischen Koppelstangen (Ac&sub1;-Ac&sub6;) aus einem magnetischen Material aufweist, die sich zwischen ungleichen Magnetpolen der benachbarten zwei Rotoren (2A, 2B) erstrecken zum magnetischen Koppeln der Rotoren (2A, 2B).

5. Mehrfachwellen-Elektromotor gemäß Anspruch 4, wobei jede der magnetischen Koppelstangen (Ac&sub1;-Ac&sub6;) Schenkel besitzt, die in entsprechende Schlitze eingesetzt sind, welche in symmetrischen Positionen zwischen den Sätzen von Ankerelementen (3a&sub1;-3a&sub6;, 3b&sub1;-3b&sub6;) definiert sind.

6. Mehrfachwellen-Elektromotor gemäß Anspruch 1, wobei die Permanentmagnete (2a, 2b) der benachbarten zwei Rotoren (2A, 2B) eine unterschiedliche Anzahl von Magnetpolen besitzen, so daß die benachbarten zwei Rotoren (2A, 2B) mit einem Drehzahlverhältnis entsprechend dem Verhältnis der Anzahl der Magnetpole gedreht werden.

7. Vakuumpumpe mit positiver Verdrängung bzw. Fördermenge mit einem zwei Wellen aufweisenden Mehrfach wellen-Elektromotor gemäß Anspruch 1, wobei die Pumpe ferner folgendes aufweist:

ein Gehäuse (11); und

ein Paar von Pumpenrotoren (12), die in gegenüberliegender Beziehung zueinander drehbar in dem Gehäuse angeordnet sind;

wobei der zwei Wellen aufweisende Elektromotor mit den Pumpenrotoren (12) gekoppelt ist zum Drehen der Pumpenrotoren (12) in entgegengesetzten Richtungen.

8. Vakuumpumpe mit positiver Verdrängung bzw. Fördermenge gemäß Anspruch 7, wobei die Pumpe ferner Mittel zum Steuern des zwei Wellen aufweisenden Elektromotors aufweist, um diesen mit veränderbaren Drehzahlen drehen zu lassen, und zwar zum Ändern der Pumpenverdrängung bzw. -fördermenge.

9. Vakuumpumpe mit positiver Verdrängung bzw. Fördermenge gemäß Anspruch 7, wobei die Pumpe ferner Mittel zum Überwachen und Steuern eines Stroms aufweist, welcher an den zwei Wellen aufweisenden Elektromotor geliefert wird, um eine Drehgeschwindigkeit bzw. Drehzahl davon zu verändern, um eine Überlastung der Pumpe zu verhindern.

10. Vakuumpumpe mit positiver Verdrängung bzw. Fördermenge gemäß Anspruch 7, wobei der zwei Wellen aufweisende Elektromotor einen gekapselten Motor aufweist mit einem Paar von die Rotoren (2A, 2B) jeweils aufnehmenden Kapseln bzw. Gehäusen (8), um die Roto ren (2A, 2B) von den Ankerelementen (3a&sub1;-3a&sub6;, 3b&sub1;-3b&sub6;) zu trennen bzw. zu isolieren.

11. Vakuumpumpe mit positiver Verdrängung bzw. Fördermenge gemäß Anspruch 10, wobei jede der Kapseln bzw. Gehäuse (8) aus synthetischen Harz bzw. Kunstharz besteht.