WO2005019654A1 - Combined drive comprising a bearing arrangement - Google Patents

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WO2005019654A1 PCT/EP2004/008320 EP2004008320W WO2005019654A1 WO 2005019654 A1 WO2005019654 A1 WO 2005019654A1 EP 2004008320 W EP2004008320 W EP 2004008320W WO 2005019654 A1 WO2005019654 A1 WO 2005019654A1
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Gerhard Voss
Rainer Hölzer
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Leybold Vacuum Gmbh
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Abstract

The invention relates to a drive comprising a stator (11) and a rotor (12). Said rotor comprises an enclosure (14) that encompasses a section (26) protruding from the stator (11). Permanent magnets (18,19,20) of the rotor interact with electric magnets (28,29,30) of the stator (11) in order to actuate the pump drive and to form a magnetic bearing arrangement.

Description

Kombinierter Antrieb mit Lagerung Combined drive with storage
Die Erfindung betrifft einen kombinierten Antrieb mit Lagerung, insbesondere einen Pumpenantrieb mit einem Stator und einem Rotor, die zusammenwirkende Antriebskomponenten mit Permanentmagneten bzw. Elektromagneten aufweisen, und insbesondere eine als Hochvakuumpumpe dienende Turbomolekularpumpe .The invention relates to a combined drive with storage, in particular a pump drive with a stator and a rotor, which have interacting drive components with permanent magnets or electromagnets, and in particular a turbomolecular pump serving as a high vacuum pump.
Bei Pumpenantrieben ist normalerweise der Rotor an einer Rotorwelle befestigt, die ihrerseits in dem Stator gelagert ist. Dadurch hat der Rotor eine große Masse. In DE 39 31 661 AI (Leybold) ist eine magnetgelagerte Vakuumpumpe in Form einer Turbomolekularpumpe beschrieben, bei der der Rotor mit hoher Drehzahl von 48.000 Umdrehungen pro Minute rotiert. Zur Verringerung der Lagerverluste dienen Magnetlager. Auch diese Pumpe weist eine Rotorwelle auf, auf die der Motorantrieb wirkt und an der die Magnetlager angreifen.In the case of pump drives, the rotor is normally fastened to a rotor shaft, which in turn is mounted in the stator. As a result, the rotor has a large mass. DE 39 31 661 AI (Leybold) describes a vacuum pump with magnetic bearings in the form of a turbomolecular pump, in which the rotor is connected high speed of 48,000 revolutions per minute rotates. Magnetic bearings are used to reduce bearing losses. This pump also has a rotor shaft on which the motor drive acts and on which the magnetic bearings act.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Pumpenantrieb zu schaffen, bei dem die Antriebskomponenten und die Lagerung vereinfacht sind.The invention has for its object to provide a pump drive in which the drive components and the storage are simplified.
Der erfindungsgemäße kombinierte Antrieb weist die Merkmale des Patentanspruchs 1 auf. Hiernach bildet eine der Antriebskomponenten einen quer zur Achsrichtung verlaufenden Steg und die andere eine den Steg von zwei axial entgegengesetzten Seiten umgreifende Umfassung. Die mit Elektromagneten versehene Antriebskomponente erzeugt ein umlaufendes Magnetfeld, wobei beide Antriebskomponenten eine berührungslose Magnetlagerung für den Rotor bilden.The combined drive according to the invention has the features of claim 1. According to this, one of the drive components forms a web running transversely to the axial direction and the other forms a surround encompassing the web from two axially opposite sides. The drive component provided with electromagnets generates a rotating magnetic field, with both drive components forming a contactless magnetic bearing for the rotor.
Erfindungsgemäß ist ein Scheibenläuferantrieb aus einer elektromagnetischen Antriebs omponente und einer permanentmagnetischen Antriebskomponente vorgesehen, der zugleich ein Magnetlager für die axiale und radiale berührungslose Magnetlagerung des Rotors bildet. Ein durch die Elektromagneten erzeugtes umlaufendes Magnetfeld bildet einen umlaufenden Rotationsantrieb, dem die Permanentmagneten folgen. Zugleich bilden die Magnetkomponenten durch ihre Abstoßung ein Magnetlager, bei dem der Rotor in Bezug auf den Stator schwebend gehalten wird.According to the invention, a disc rotor drive is provided from an electromagnetic drive component and a permanent magnetic drive component, which at the same time forms a magnetic bearing for the axial and radial contactless magnetic bearing of the rotor. A rotating magnetic field generated by the electromagnets forms a rotating rotary drive which the permanent magnets follow. At the same time, due to their repulsion, the magnetic components form a magnetic bearing in which the rotor is kept floating in relation to the stator.
Die Erfindung führt zu einer erheblichen baulichen Vereinfachung des Antriebs, der nun keine Welle mehr benötigt. Der Antriebsmotor ist gewissermaßen als Linearmotor in den Stator bzw. den Rotor integriert. Dadurch wird auch die Baulänge des Pumpenantriebs wesentlich verkürzt. Infolge des Verzichts auf eine Welle wird die Rotormasse verringert, wodurch gleichzeitig auch die Schwingneigung herabgesetzt wird. Die Erfindung eignet sich insbesondere für hochtourige Pumpenantriebe, wie beispielsweise Turbomolekularpumpen, Turboradialgebläse, Turbostreamgebläse oder auch hochtourige Pumpen für Brennstoffzellen.The invention leads to a considerable structural simplification of the drive, which now no longer requires a shaft. The To a certain extent, the drive motor is integrated as a linear motor in the stator or the rotor. This also significantly shortens the overall length of the pump drive. Because there is no shaft, the rotor mass is reduced, which also reduces the tendency to oscillate. The invention is particularly suitable for high-speed pump drives, such as, for example, turbomolecular pumps, turbo radial blowers, turbostream blowers or high-speed pumps for fuel cells.
Obwohl die beiden zusammenwirkenden Antriebskomponenten grundsätzlich zwischen Stator und Rotor vertauscht werden können, ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Stator die Elektromagneten und der Rotor die Permanentmagneten trägt. Dadurch werden Schleifringe und ähnliche Stromübertragungsvorrichtungen am Rotor vermieden. Ebenfalls bevorzugt ist vorgesehen, dass der Stator den Steg und der Rotor die Umfassung aufweist, obwohl diese Verhältnisse auch umgedreht werden können.Although the two interacting drive components can in principle be interchanged between the stator and the rotor, it is preferably provided that the stator carries the electromagnets and the rotor carries the permanent magnets. This avoids slip rings and similar current transmission devices on the rotor. It is also preferably provided that the stator has the web and the rotor has the enclosure, although these conditions can also be reversed.
Die Umfassung umgreift den Steg von drei Seiten her U-förmig. Dies schließt eine V-förmige Gestalt der Stege bzw. der Umfassung ein.The enclosure surrounds the web from three sides in a U-shape. This includes a V-shaped shape of the webs or the enclosure.
Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Abwandlungen möglich. So können mehrere Paare von Antriebskomponenten auf denselben Rotor wirken. Es ist auch möglich, dass zwei Pumpenlaufräder vorgesehen sind, die jeweils einen eigenen Antrieb aufweisen und gegensinnig rotieren.Numerous modifications are possible within the scope of the invention. In this way, several pairs of drive components can act on the same rotor. It is also possible for two pump impellers to be provided, each having its own drive and rotating in opposite directions.
Die Erfindung schafft einen Antrieb, der mit einer Magnetlagerung kombiniert ist, wobei für beide Aufgaben dieselbe Magnet- anordnung benutzt wird. Der Pumpenantrieb kann so kurz gebaut werden, dass die Erstreckung in Richtung der virtuellen Längsachse kürzer ist als die Erstreckung in Querrichtung, also die Breite.The invention creates a drive that is combined with a magnetic bearing, the same magnetic arrangement is used. The pump drive can be made so short that the extension in the direction of the virtual longitudinal axis is shorter than the extension in the transverse direction, i.e. the width.
Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Durch die detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele wird der Schutzbereich des Patents nicht verringert. Dieser wird vielmehr durch die Patentansprüche bestimmt.Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the drawings. The scope of protection of the patent is not reduced by the detailed description of the exemplary embodiments. Rather, this is determined by the claims.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform des Pumpenantriebs,1 shows a schematic longitudinal section through a first embodiment of the pump drive,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Pumpenantrieb einer Turbomolekularpumpe,2 shows a longitudinal section through the pump drive of a turbomolecular pump,
Fig. 3 eine modifizierte Ausführungsform der Turbomolekularpumpe,3 shows a modified embodiment of the turbomolecular pump,
Fig. 4 eine Turbomolekularpumpe mit rohrförmig ausgebildetem Rotor, der einen Verdichtungsmechanismus enthält,4 shows a turbomolecular pump with a tubular rotor which contains a compression mechanism,
Fig. 5 eine Pumpe mit zwei koaxialen Antrieben, die auf dasselbe Pumpenlaufrad wirken, undFig. 5 shows a pump with two coaxial drives that act on the same pump impeller, and
Fig. 6 eine Ausführungsform mit zwei gegensinnig zueinander angetriebenen Pumpenlaufrädern. Der in Figur 1 dargestellte Antrieb für eine Radialpumpe treibt ein Pumpenlaufrad 10 drehend an. Der Pumpenantrieb weist einen Stator 11 und einen Rotor 12 auf. An dem Rotor 12 ist das Pumpenlaufrad 10 befestigt. Der Rotor 12 besteht aus einer das Pumpenlaufrad 10 tragenden Scheibe 13, die eine virtuelle Achse A aufweist, welche die Längsachse des Pumpenantriebs bildet. Die radial verlaufende Scheibe 13 bildet ferner eine Umfassung 14 mit einer Umfangswand 15 und einer parallel zur Scheibe 13 verlaufenden Endwand 16. Die Umfassung 14 bildet somit eine umlaufende U-förmige Begrenzung eines Stegraumes 17, der nur radial nach innen offen ist.Fig. 6 shows an embodiment with two pump impellers driven in opposite directions. The drive for a radial pump shown in FIG. 1 drives a pump impeller 10 in rotation. The pump drive has a stator 11 and a rotor 12. The pump impeller 10 is attached to the rotor 12. The rotor 12 consists of a disk 13 carrying the pump impeller 10, which has a virtual axis A, which forms the longitudinal axis of the pump drive. The radially extending disk 13 also forms a surround 14 with a peripheral wall 15 and an end wall 16 running parallel to the disk 13. The surround 14 thus forms a circumferential U-shaped boundary of a web space 17 which is only open radially inwards.
Die drei Wände des Stegraumes 17 werden durch Magnete 18,19,20 gebildet. Die Magnete 18 befinden sich an der Scheibe 13, die Magnete 19 an der Umfangswand 15 und die Magnete 20 an der Endwand 16. Alle drei Arten von Magneten sind so ausgerichtet, dass gleiche Pole (z.B. Nordpole) in das Innere des Stegraums 17 weisen.The three walls of the web space 17 are formed by magnets 18, 19, 20. The magnets 18 are located on the disk 13, the magnets 19 on the peripheral wall 15 and the magnets 20 on the end wall 16. All three types of magnets are oriented such that the same poles (e.g. north poles) point into the interior of the web space 17.
Der Stator 11 weist ein hohles Rohr 25 auf, das koaxial zu der Achse A verläuft und mit geringem Abstand vor der Scheibe 13 endet. An dem Ende des Rohres 25 befindet sich ein radial nach außen abstehender Steg 26 oder Flansch. Der Steg 26 enthält verschiedene Elektromagnete 28,29,30, die mit den Magneten 18,19,20 des Rotors zusammenwirken. Die Magneten der Magnetpaare 18,28 und 19,29 und 20,30 stoßen sich gegenseitig ab, so dass eine berührungsfreie Lagerung des Rotors 12 sowohl in axialer Richtung als auch in radialer Richtung zur Achse A erreicht wird. Mindestens einige der Elektromagneten 28,29,30 des Stators 11 sind in der Weise gesteuert, dass sie . ein um den Umfang des Rotors umlaufendes wanderndes Magnetfeld erzeugen. Der Rotor folgt diesem Magnetfeld, wodurch er rotiert.The stator 11 has a hollow tube 25 which extends coaxially to the axis A and ends at a short distance in front of the disk 13. At the end of the tube 25 is a radially outwardly projecting web 26 or flange. The web 26 contains various electromagnets 28, 29, 30, which interact with the magnets 18, 19, 20 of the rotor. The magnets of the magnet pairs 18, 28 and 19, 29 and 20, 30 repel each other, so that contact-free mounting of the rotor 12 in the axial direction as well as in the radial direction to the axis A is achieved. At least some of the electromagnets 28, 29, 30 of the stator 11 are controlled in such a way that they. generate a traveling magnetic field revolving around the circumference of the rotor. The rotor follows this magnetic field, causing it to rotate.
Der Pumpenantrieb ist bei diesem Ausführungsbeispiel wellenlos, d.h. er weist keine mit dem Rotor 12 verbundene Achse oder Welle auf. Das Rohr 25 dient lediglich dazu, den Steg 26 mit einer Gehäusestruktur zu verbinden. Es ist hohl und im Wesentlichen leer, jedoch können im Innern des Rohres 25 Drähte und andere Komponenten der Verteilung der Versorgungsstörme auf die Elektromagneten 28,29,30 untergebracht sein.The pump drive is shaftless in this embodiment, i.e. it has no axis or shaft connected to the rotor 12. The tube 25 only serves to connect the web 26 to a housing structure. It is hollow and essentially empty, but inside the tube 25 wires and other components for distributing the supply currents to the electromagnets 28, 29, 30 can be accommodated.
Figur 2 zeigt ein modifiziertes Ausführungsbeispiel des Pumpenantriebs bei einer Turbomolekularpumpe zur Erzeugung von Hochvakuum. Die Umfassung 14 und der Steg 26 sind hierbei V- förmig gestaltet, was eine Unterform von U-förmig darstellt. Dabei werden nur jeweils zwei Permanentmagnete 18,20 und zwei Elektromagnete 28,30 benötigt, um die Magnetlagerung und den Drehantrieb zu bewirken. Die Turbomolekularpumpe weist ein Pumpenlaufrad 10a auf, das Bestandteil des Rotors 12 ist. Der Hochvakuumanschluss 40 bildet den Pumpeneinlass . Der Rotor weist zahlreiche Rotorflügel 41 auf, die sich mit Statorflügeln 42 abwechseln. Die Pumpe bildet eine molekulare Reibungspumpe. An den Hochvakuumteil der Pumpe schließt sich ein weiterer Pumpenteil 43 an, der eine schraubenförmige Wendel 44 enthält, welche von der Innenseite eines Statorringes 45 absteht. Den Auslass der Hochvakuumpumpe bildet ein Vorvakuumanschluss 46, der mit dem Sauganschluss einer VorVakuumpumpe verbunden wird. Die gesamte Pumpe ist in einem Gehäuse 47 untergebracht, an dessen Bodenwand 48 das Rohr 25 befestigt ist. Mindestens ein Kabel 49 führt durch das Rohr 25 hindurch, um die Elektromagneten mit Energie zu versorgen und zu steuern.Figure 2 shows a modified embodiment of the pump drive in a turbomolecular pump to generate high vacuum. The enclosure 14 and the web 26 are designed in a V-shape, which represents a lower shape of a U-shape. Only two permanent magnets 18, 20 and two electromagnets 28, 30 are required to effect the magnetic bearing and the rotary drive. The turbomolecular pump has a pump impeller 10 a, which is part of the rotor 12. The high vacuum connection 40 forms the pump inlet. The rotor has numerous rotor blades 41 which alternate with stator blades 42. The pump forms a molecular friction pump. The high vacuum part of the pump is followed by a further pump part 43 which contains a helical coil 44 which projects from the inside of a stator ring 45. The outlet of the high vacuum pump is formed by a forevacuum connection 46, which is connected to the suction connection of a forevacuum pump. The entire pump is housed in a housing 47, on the bottom wall 48 of which the pipe 25 is attached. At least one cable 49 passes through the tube 25 to supply and control the electromagnets with energy.
Das Ausführungsbeispiel von Figur 3 entspricht weitgehend demjenigen von Figur 2. Anstelle des Pumpenlaufrades 10a kann auch ein Pumpenlaufrad 10, wie in Figur 1 dargestellt, benutzt werden.The embodiment of FIG. 3 largely corresponds to that of FIG. 2. Instead of the pump impeller 10a, a pump impeller 10, as shown in FIG. 1, can also be used.
Aus Figur 4 ist ersichtlich, dass sowohl der Stator 11 als auch der Rotor 12 rohrförmig ausgebildet sind. Das Pumpenlaufrad 10a in Figur 4 enthält einen Verdichtungsmechanismus .It can be seen from FIG. 4 that both the stator 11 and the rotor 12 are tubular. The pump impeller 10a in Figure 4 includes a compression mechanism.
In Figur 5 ist die Kombination eines Pumpenlaufrades 10a mit zwei Pumpenantrieben 50 und 51 dargestellt, die jeweils einen festen Stator 11 und 11a aufweisen und mit ihrem Rotor dasselbe Pumpenlaufrad antreiben.FIG. 5 shows the combination of a pump impeller 10a with two pump drives 50 and 51, each of which has a fixed stator 11 and 11a and drives the same pump impeller with its rotor.
Figur 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Turbomolekularpumpe, bei der zwei Pumpenteile 52,53 vorgesehen sind, die relativ zueinander rotieren. Das äußere Pumpenteil 52 ist mit dem Rotor 12 verbunden und das innere Pumpenteil 53 ist mit einem weiteren Rotor 12a verbunden, welcher eine Welle 55 treibt, auf der das Pumpenteil 53 sitzt. Die beiden Pumpenteile 52 und 53 sind gegensinnig zueinander angetrieben, wie durch die Pfeile angedeutet ist. FIG. 6 shows an exemplary embodiment of a turbomolecular pump in which two pump parts 52, 53 are provided which rotate relative to one another. The outer pump part 52 is connected to the rotor 12 and the inner pump part 53 is connected to a further rotor 12a which drives a shaft 55 on which the pump part 53 sits. The two pump parts 52 and 53 are driven in opposite directions to one another, as indicated by the arrows.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Kombinierter Antrieb mit Lagerung, insbesondere Pumpenantrieb, mit einem Stator (11) und einem eine virtuelle Achse (A) aufweisenden Rotor (12), die zusammenwirkende Antriebskomponenten mit Permanentmagneten bzw. Elektromagneten aufweisen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine der Antriebskomponenten einen quer zu der Achsrichtung (A) verlaufenden Steg (26) und die andere eine den Steg (26) von zwei axial entgegengesetzten Seiten umgreifende Umfassung (14) bildet, dass die mit Elektromagneten (28,29,30) versehene Antriebskomponente ein umlaufendes Magnetfeld erzeugt und dass beide Antriebskomponenten ein berührungsloses Magnetlager für den Rotor (12) bilden.1. Combined drive with storage, in particular pump drive, with a stator (11) and a virtual axis (A) having rotor (12), which have interacting drive components with permanent magnets or electromagnets, characterized in that one of the drive components a transversely to the Axial direction (A) extending web (26) and the other a surrounding (14) surrounding the web (26) from two axially opposite sides forms that the drive component provided with electromagnets (28, 29, 30) generates a rotating magnetic field and that both Drive components form a non-contact magnetic bearing for the rotor (12).
2. Kombinierter Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (11) die Elektromagneten (28,29,30) und der Rotor (12) die Permanentmagneten (18,19,20) trägt.2. Combined drive according to claim 1, characterized in that the stator (11) carries the electromagnets (28, 29, 30) and the rotor (12) carries the permanent magnets (18, 19, 20).
3. Kombinierter Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (11) den Steg (26) und der Rotor (12) die Umfassung (14) aufweist.3. Combined drive according to claim 1 or 2, characterized in that the stator (11) has the web (26) and the rotor (12) has the enclosure (14).
4. Kombinierter Antrieb nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (26) nach außen verjüngt ausgebildet ist. Kombinierter Antrieb nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (11) aus einem hohlen leeren Rohr (25) besteht.4. Combined drive according to one of claims 1-3, characterized in that the web (26) is tapered to the outside. Combined drive according to one of claims 1-4, characterized in that the stator (11) consists of a hollow empty tube (25).
Kombinierter Antrieb nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (12) eine Hohlwelle bildet und im Übrigen wellenlos ist.Combined drive according to one of claims 1-5, characterized in that the rotor (12) forms a hollow shaft and is otherwise shaftless.
Kombinierter Antrieb nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere gleichartige Pumpenantriebe (50,51) auf denselben Rotor (12a) wirken.Combined drive according to one of claims 1-6, characterized in that several similar pump drives (50, 51) act on the same rotor (12a).
Kombinierter Antrieb nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Pumpenlaufräder (10a, 10b) vorgesehen sind, die jeweils einen eigenen Antrieb aufweisen und gegensinnig zueinander rotieren. Combined drive according to one of claims 1-7, characterized in that two pump impellers (10a, 10b) are provided, each having its own drive and rotating in opposite directions to each other.
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