DE2337226A1

DE2337226A1 - Vakuumpumpe mit einem im innenraum ihres gehaeuses gelagerten laeufer

Info

Publication number: DE2337226A1
Application number: DE19732337226
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl Phys Dr Isenberg; Wolfgang Dipl Ing Tuzinsky
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1973-07-21
Filing date: 1973-07-21
Publication date: 1975-02-06
Also published as: FR2238071B3; FR2238071A1; GB1479669A; US4057369A; JPS5038811A

Description

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MASCHINENFABRIK AUGSBURG-NÜRNBERG 2337226

Aktiengesellschaft

München, den 13. Juli 1973

Vakuumpumpe mit einem im Innenraum ihres Gehäuses gelagerten Läufer

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vakuumpumpe mit einem im Innenraum ihres Gehäuses gelagerten Läufer, besonders Turbomolekularpumpe dieser Art, zur Erzeugung eines lagerschmiermittel-, insbesondere -ölfreien Vakuums.

Ein solches Vakuum ist oft erwünscht, kann aber bisher wegen Schmiermitteldämpfe, die von der Läuferlagerung ausgehen, nicht erzielt werden. So müssen z.B. bei genannten Turbomolekularpumpen, die in ihrem prinzipiellen Aufbau meist Axialverdichtern der mehrstufigen Bauart entsprechen und meist in einem

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Druckbereich von etwa Io Torr bis etwa Io Torr eingesetzt werden, die Lager, oft Präzisionswälz- bzw. -kugellager und oft für Läuferdrehzahlen von mehr als Jo 000 Umdrehungen pro Minute, über einen Schmiermittel-, insbesondere -ölkreislauf, geschmiert und gekühlt werden. Dadurch strömen insbesondere bei stillstehendem Läufer Schmiermittel- bzw. -öTdämpfe vom Lager bzw. von einer Lagerseite der Pumpe - eine solche Seite entspricht einer Vorvakuumsseite der Pumpe - zur Hochvakuum-

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seite der Pumpe und in den auszupumpenden Raum bzw. ein entsprechendes Behältnis, wo sich diese Dämpfe an den Wänden niederschlagen. Dies macht, wenn ein schmiermittel- bzw. kohlenwasserstoffarmes (meist besteht das Schmieröl im wesentlichen aus Kohlenwasserstoffen) Vakuum erzielt werden soll, langwierige und daher auch kostspielige Ausheizvorgänge bei Wiederinbetriebnahme der Pumpe erforderlich. Kohlenwasserstoffmoleküle im Vakuum verringern z.B. die elektrische Uberschlagsfestigkeit. Durch das Ausheizen, insbesondere mittels Heizvorrichtungen um das genannte Behältnis und das Pumpengehäuse, d.h. das Verdampfen von genanntem Schmiermittel bzw. -öl an den Wänden, und das Herauspumpen der betreffenden Dämpfe zusammen mit der Luft oder dem Gas mittels der Pumpe wird aber eben nur ein schmiermittel- bzw. schmierölarmes Vakuum erzielt, dazu noch mit großem Aufwand.

Aufgabe gemäß der Erfindung ist die Schaffung einer Vakuumpumpe anfangs genannter Art, die also so beschaffen sein soll, daß sie ein lagerschmiermittel-, insbesondere -ölfreies Vakuum erzeugen kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe besteht die Erfindung darin, daß die Lagerung des Läufers mittels einer magnetischen Vorrichtung berührungsfrei ist. Durch die Berührungsfreiheit entfällt jegliches Schmiermittel bzw. Schmieröl zum Lagerschmieren und/oder -kühlen, so daß keine genannten Dämpfe entstehen und das zu erzeugende Vakuum frei von ihnen, also lagerschmiermittelfrei ist.

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Dadurch entfallen auch das genannte Ausheizen und die Vorrichtungen dafür.

Darüber hinaus brauchen die Lagereigenschaften nicht abhängig von den Eigenschaften des zu pumpenden Mittels gewählt zu werden. Durch die Berührungsfreiheit braucht kein Lagerlaufflächenwerkstoff vorgesehen zu werden, der dann also auch nicht angegriffen werden kann im Fall einer Verbindung zwischen dem beschaufelten oder dgl. Pumpendurchströmraum und dem Lagerspalt, so daß also die Erfindung eine solche Pumpe zum Pumpen auch aggressiver, radioaktiver oder dgl. Mittel geeignet macht. Auch kann dann eine gegenseitige Berührung oder Vermischung des zu pumpenden Mittels und eines Lagerschrniermittels nicht erfolgen; somit wiederum sind Verunreinigungen eines dieser beiden Medien durch das andere, gegenseitige Verunreinigungen und gegenseitige chemische Reaktionen und ist eine radioaktive Verseuchung oder eine durch radioaktive Strahlung bedingte Zersetzung eines Lagerschmiermittels nicht möglich.

In der Zeichnung ist in Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Turbomolekularpumpe gemäß der Erfindung in einem Längsschnitt dargestellt. Es handelt sich um eine zweiflutige Axialpumpe. Fig. 2 der Zeichnung zeigt ein gegenüber Fig. 1 andersartiges AusführungGbeispiel der magnetischen Vorrichtung für eine berührungsfrei ο Radiallagerung des Läufers der Pumpe in einem Querschnitt durch den Wellenzapfen.

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Die Pumpe weist in einem sich horizontal erstreckenden Pumpengehäuse Io einen sich horizontal erstreckenden Läufer auf. Dieser besteht, abgesehen von im folgenden genannten Teilen von elektromagnetischen Einrichtungen, aus einem Läuferballen 1, Laufschaufelkranzen 6 - das Gehäuse Io trägt zugehörige Leitschaufelkränze 12 - und zwei Wellenzapfen 5 und l4. Der Läufer wird von einem Elektromotor mit einem Stator 2 und einem fest auf dem Läufer sitzenden Rotor 3 angetrieben. Das Gehäuse Io weist in seinem axial mittleren Gebiet einen Ansaugestutzen 11 auf, und das zu pumpende Gas strömt siehe die Pfeile 17 - von der im axial mittleren Gebiet der Pumpe befindlichen Hochvakuumseite der Pumpe bzw. vom dort befindlichen Hochvakuumraum 21 in beiden axialen Richtungen durch die Räume zwischen den Schaufeln der genannten Kränze und 12 hindurch zu den beiden Vorvakuumseiten der Pumpe bzw. Austrittsräumen 22 und 22¹ der Pumpe. Das gepumpte Mittel verläßt die Austrittsräume 22 und 22* durch Ausströmstutzen l8 hindurch in Richtung der Pfeile 19. Auf diesen Vorvakuumseiten befinden sich im Gebiet jedes der beiden Axialenden des Gehäuses Io und des Läufers ein Radiallager des Läufers und ein Axiallager des Läufers. Zwischen dem Austrittsschaufelkranz der einen Flut und dem auf dieser Seite befindlichen Radiallager ist der genannte Elektromotor 2, 3 angeordnet. Das Gehäuse ist an seinen Axialenden durch je einen Deckel 2o verschlossen und also bis auf die Zuströmung (Ansaugstutzen 11) und die Abströmung (Ausströmstutzen 18) abgeschlossen.

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Läuferwellendurchführungen durch das Gehäuse Io zu Außenlagern und diesbezügliche Dichtprobleme gibt es hier nicht.

Der Läufer ist durch die vier genannten Lager ausschließlich magnetisch gelagert: Die Wellenzapfen 5 und 14 sind jeweils von einem Satz aus mindestens drei, insbesondere vier, über den vollen j56"o^o-Umfang gleichmäßig verteilt im und am Gehäuse Io fest angeordneten Elektromagneten umgeben, von denen "Jeder Elektromagnet aus einem u-förmigen Blechpaket 4, dessen U-Schenkel in Umfangsrichtung aufeinanderfolgen, und einer Wicklung 13 um dieses Blechpaket 4 besteht. Auf den Wellenzapfen 5 und l4 sitzen fest jeweils ein ringförmiges, koaxiales Blechpaket 7 für den magnetischen Schluß der Elektromagnete 4, 13. Die Elektromagnete 4, 13 und die Blechpakete 7 bilden magnetische Vorrichtungen, mittels derer der Läufer berührungsfrei radialgelagert ist. An den Stirnseiten der Wellenzapfen 5 und. 14 befinden sich fest jeweils ein Blechpaket 8 für den magnetischen Schluß je eines Elektromagneten, der als Topfmagnet ausgebildet ist, als Stirnmagnet bezeichnet wird, aus einem Blechpaket 9 und einer Wicklung 16 besteht und im Gehäuse Io angeordnet und an einem Deckel 2o des Gehäuses Io befestigt ist. Die Elektromagnete 9» 16 und diese Blechpakete 8 bilden magnetische Vorrichtungen, mittels derer der Läufer berührungsfrei axialgelagert ist. Die Spaltbreiten der Radialspalte 23 und dor Axialspalte 24 sind den Erfordernissen entsprechend bei der Auslegung festgelegt. Sie liegen z.B. in der Größenordnung von etwa 1 mm.

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Auf jeder Axialseite der Pumpe stehen die Radialspalte 23 und der Axialspalt 24 und überhaupt die Pumpeninnenräume, die den Wellenzapfen 14 bzw. 5 und die genannten Teile der genannten magnetischen Vorrichtungen umgeben, mit dem Austrittsraum 22 bzw. 22¹ in Verbindung, was sein.darf, weil die Läuferlager nicht geschmiert zu werden brauchen.

Die Berührungsfreiheit der Lagerung wird dadurch erzielt, daß jede der genannten Wicklungen 13 bzw. 16 für sich stromdurchflossen ist. Durch diese Stromflüsse, bei denen auch das Läufergewicht berücksichtigt ist und ein eventueller Strömungsaxialschub auf den Läufer berücksichtigt ist bzw. werden kann, sind elektromagnetische Zugfelder vorhanden, die den jeweiligen Elektromagneten und das zugehörige Blechpaket durchdringen. Die entsprechenden magnetischen Zugkräfte halten den Läufer in der geforderten Lage; die Stromstärke jeder der Wicklungen und somit die Zugkraft jeder der genannten magnetischen Vorrichtungen ist änderbar bzw. regelbar; der Läufer ist aktiv magnetisch gelagert. Bei dieser zweiflutlgen Axialpumpe ist ein Strömungsaxialschub auf den Läufer gleich Null oder relativ klein, so daß die elektromagnetischen Vorrichtungen 9, 16, 8 nicht stark ausgelegt zu werden brauchen, im Gegensatz zu einer solchen elektromagnetischen Vorrichtung bei einflutigen Vakuumpumpen.

Ein genaues Mittighalten und/oder ein Umwuchtausgleich oder dgl. der Läuferachse bz\*. des Läufers wird insbesondere über eine Einrichtung zur berührungslosen Spaltmessung - z.B. mittels

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induktiver oder kapazitiver Aufnehmer oder Feldplattensensoren - gewährleistet. In Abhängigkeit von den Spaltmeßgrößen regelt dann ein elektronischer Regler die genannten magnetischen Zugkräfte, und zwar im allgemeinen so, daß die Spaltbreiten konstant gehalten werden.

Wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, können an die Stelle der Elektromagnete 4, 15 ein geblechter Ringkörper, mit nach innen ragenden Zähnen 4¹, und Wicklungen 15 treten. Jeweils eine Wicklung 15 umgibt einen Zahn 4'¹. Die magnetischen Flüsse verlaufen, wie die Pfeile es angeben, jeweils durch zwei in Umfangsrichtung benachbarte Wicklungen 15 bzw. durch die Zähne 4¹ und die Joche des Ringkörpers und das Blechpaket 7* und zwar in Umfangsrichtung gesehen abwechselnd.

Es können die Blechpakete 8 und die Elektromagnete 9, 16 entfallen und stattdessen die beiden Blechpakete 7 einander entgegengesetzt schräg zur Läuferachse verlaufende Außenumfänge und die Blechpakete 4 bzw. 4' dazu parallele, zugehörige Innenenden aufweisen.

Durch den Wegfall jeglichen Lagerschmier- und -kühlmittels, können bei stillstehendem Läufer keine Dämpfe eines solchen Mittels von den Läuferlagern durch die genannten Schaufelzwischenräume hindurch in den Hochvakuumraum 21 bzw. in den Ansaugstutzen 11 bzw. in einen an diesem angeschlossenen, nicht dargestellten, auszupumpenden Raum eindringen.

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Claims

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MASCHINENFABRIK AUGSBURG-NÜRNBERG * ^ ' ^ ^ "
Aktiengesellschaft
München, den IJ. Juli 1975
Patentanspruch
Vakuumpumpe mit einem im Innenraum ihres Gehäuses gelagerten Läufer, besonders Turbomolekularpumpe dieser Art, zur Erzeugung eines lagerschmiermittel-, insbesondere -ölfreien Vakuums, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerung des Läufers mittels einer magnetischen Vorrichtung (4, 13, 7j 9, 16, 8) berührungsfrei ist.
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