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Dokumentenidentifikation DE60005882T2 09.09.2004
EP-Veröffentlichungsnummer 0001046821
Titel Schutzvorrichtung für Magnetlager und Turbomolekularpumpe
Anmelder Seiko Instruments Inc., Chiba, JP
Erfinder Komoriya, Miyako, Narashino-shi, Chiba, JP
Vertreter Weickmann & Weickmann, 81679 München
DE-Aktenzeichen 60005882
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 28.03.2000
EP-Aktenzeichen 003025095
EP-Offenlegungsdatum 25.10.2000
EP date of grant 15.10.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 09.09.2004
IPC-Hauptklasse F04D 19/04
IPC-Nebenklasse F04D 29/04   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Magnetlagerschutzvorrichtung und eine Turbomolekularpumpe, insbesondere eine Magnetlagerschutzvorrichtung und eine Turbomolekularpumpe, in welcher eine stabile Steuerung/Regelung gegenüber der übermäßigen Oszillation eines Rotors und äußeren Vibrationen aufrecht erhalten werden kann.

3 ist ein Strukturdiagramm, welches eine herkömmliche Turbomolekularpumpe mit einem Magnetlager vom 5-Achsensteuer/regeltyp zeigt. Eine ähnliche herkömmliche Turbomolekularpumpe ist in der US-A-4023920 offenbart. Magnetlager sind dafür vorgesehen, einen Rotor durch eine magnetische Kraft schweben zu lassen, sodass der Rotor, ohne ihn zu berühren, gehalten wird. Da sie in der Lage sind, einen Rotor mit einer hohen Drehzahl zu drehen und für eine Verwendung in einer Umgebung geeignet sind, welche erfordert, sehr sauber zu sein, werden Magnetlager in technischen Bereichen, welche beispielsweise die Herstellung eines Halbleiters betreffen, als Lager zum Halten von Rotorschaufeln von Turbomolekularpumpen verwendet.

Bei einem Magnetlager vom 5-Achsensteuer/regeltyp werden Radialpositionssteuer/regelelektromagneten 3A, 3B und ein Axialpositionssteuer/regelelektromagnet 5 verwendet, um Rotorschaufeln 1 schweben zu lassen.

Beispielsweise wird die radiale Position der oberen Rotorschaufeln 1 aktiv derart gesteuert/geregelt, dass: eine gegenwärtige radiale Position der oberen Rotorschaufeln 1 durch einen Radialpositionssensor 7A erfasst wird und mittels einer Kompensationsschaltung 9A mit einer PID-Nachstellfunktion, nachdem der Strom durch einen Stromverstärker 11A verstärkt ist, der Radialpositionssteuer/regelelektromagnet 3A betrieben wird.

Die radiale Position der unteren Rotorschaufeln 1 und die axiale Position der Rotorschaufeln 1 werden durch einen ähnlichen Mechanismus, obwohl nicht gezeigt, gesteuert/geregelt.

Bei den durch einen Hochfrequenzmotor 21 beschleunigten Rotorschaufeln kann eine zeitliche Oszillation stattfinden, wenn ein sogenannter Resonanzpunkt durchquert wird, der den Rotorschaufeln 1 eindeutig zugeordnet ist, wobei ihre eindeutige Frequenz mit der Drehfrequenz zusammenfällt. Zusätzlich können die Rotorschaufeln 1 durch eine äußere Vibration erschüttert werden, wie z.B. ein Erdbeben, oder von einem plötzlichen Gas (die Atmosphäre)-Sog aus irgend welchen Gründen, während die Turbomolekularpumpe Gas aus einer nicht gezeigten Kammer durch eine Einlassöffnung 19 austrägt, was zu einer Verschiebung vom Vakuum zur Atmosphärenfreisetzung (nachfolgend als Atmosphäreneinbruch bezeichnet) führt.

Wie die Rotorschaufeln 1 bei diesem Atmosphäreneinbruch oszillieren, ist in 4 veranschaulicht. In der Figur gezeigt ist eine Aufzeichnung des Verhaltens in der Axialrichtung der Rotorschaufeln 1, ausgedrückt durch Ausgaben des Axialpositionssensors, welcher in die Turbomolekularpumpe eingebaut ist. Die Rotorschaufeln 1 werden beispielsweise beim Atmosphäreneinbruch zu der Auslassöffnungsseite herabgedrückt, werden aber unmittelbar nach oben zu der Seite der Einlassöffnung 19 durch einen aerodynamischen Schub wie bei einem Helikopter gedrückt.

Wie in 4 gezeigt, stoppen die Rotorschaufeln 1 allmählich mit dem Oszillieren nach etwa ein paar Sekunden (6 Sekunden in diesem Fall) nach dem Atmosphäreneinbruch. Wenn eine solche Oszillation stattfindet, kommen die Rotorschaufeln 1 in Kontakt mit Aufsetzlagern 13, 15 und könnten sie mitnehmen und in einigen Fällen die Aufsetzlager 13, 15 verschleißen oder beschädigen.

Der Versuch, die Rotorschaufeln 1 in einem solchen Zustand zurück in eine normale Drehposition zu bringen, indem sie durch eine magnetische Kraft schweben gelassen werden, bewirkt einen übermäßigen Strom, weil der Strom in den Radialpositionssteuer/regelelektromagneten 3A, 3B und dem Axialpositionssteuer/regelelektromagneten 3 erhöht wird. Wegen diesem übermäßigen Strom wird eine Magnetlagerspule überhitzt. Eine herkömmliche Gegenmaßnahme gegen ein solches Überhitzen ist es, eine Magnetlagertreiberschaltung mit einem Strombegrenzer 17 vorzusehen, um den in die Magnetlagerspule fließenden Strom auf beispielsweise 2 [A] zu begrenzen.

Wie oben beschrieben, ist der Strom in einer herkömmlichen Turbomolekularpumpe ungeachtet vom Betriebszustand der Pumpe immer begrenzt. Diese Begrenzung führt zu einem Leistungsmangel des Magnetlagers gegenüber der oben erwähnten übermäßigen Oszillation der Rotorschaufeln 1 und einer äußeren Vibration, welche das Ende der Oszillation der Rotorschaufeln 1 verzögert. Diese Verzögerung des Endes erhöht die auf die Aufsetzlager 13, 15 aufgebrachte Last.

Die vorliegende Erfindung erfolgte im Hinblick auf die obigen Probleme, welche dem Stand der Technik eigen sind und es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Magnetlagerschutzvorrichtung und eine Turbomolekularpumpe bereitzustellen, in welchen eine stabile Steuerung/Regelung gegenüber einer übermäßigen Oszillation eines Rotors und einer äußeren Vibration aufrecht erhalten werden kann.

Zur Erreichung des obigen Ziels umfasst eine Magnetlagerschutzvorrichtung der vorliegenden Erfindung:

einen Positionssensor zur Erfassung der Position eines Rotors;

wenigstens ein Paar Steuer/Regelelektromagneten, welche den Rotor in der Luft halten und die radiale Position oder die axiale Position des Rotors basierend auf einem Positionssignal steuern/regeln können, welches durch die von dem Positionssensor vorgenommene Erfassung erhalten wird;

ein Stromversorgungsmittel zur Zufuhr von elektrischem Strom zu den Steuer/Regelelektromagneten;

ein Steuer/Regelstromerfassungsmittel zur Erfassung des in die Steuer/Regelelektromagneten von dem Stromversorgungsmittel fließenden Stroms;

ein Stromanomaliebeurteilungsmittel zur Beurteilung, ob der von dem Steuer/Regelstromerfassungsmittel erfasste Strom einen im Voraus gesetzten Stromwert übersteigt oder nicht;

ein Zeitanomaliebeurteilungsmittel zur Beurteilung, wenn das Stromanomaliebeurteilungsmittel beurteilt, dass der Stromfluss den gesetzten Stromwert übersteigt, ob die Stromüberschreitung über eine im Voraus gesetzte Zeit hinaus andauert oder nicht; und

ein Stoppmittel zum Stoppen der Stromzufuhr von dem Stromversorgungsmittel zu den Steuer/Regelelektromagneten, wenn das Zeitanomaliebeurteilungsmittel beurteilt, dass die Zeitspanne seit dem Beginn der Stromüberschreitung länger als die gesetzte Zeit ist.

Der Positionssensor erfasst die Position des Rotors. Dieser Positionssensor kann die radiale Position oder die axiale Position des Rotors erfassen. Die Steuer/Regelelektromagneten können den Rotor in der Luft halten und die radiale Position oder die axiale Position des Rotors basierend auf einem Positionssignal steuern/regeln, welches durch die von dem Positionssensor vorgenommene Erfassung erhalten wird.

Die Steuer/Regelelektromagneten z.B. in dem Fall eines Magnetlagers vom 3-Achssteuer/regeltyp bestehen aus einem Paar von Radialpositionssteuer/regelelektromagneten und einem Paar von Axialpositionssteuer/regelelektromagneten. In dem Fall eines Magnetlagers vom 5-Achsensteuer/regeltyp bestehen die Steuer/Regelelektromagneten aus zwei Paaren von Radialpositionssteuer/regelelektromagneten, welche axial voneinander beabstandet sind, und einem Paar von Axialpositionssteuer/regelelektromagneten.

Alternativ können einige der Radialpositionssteuer/regelelektromagneten und der Axialpositionssteuer/regelelektromagneten Permanentmagneten sein. Ebenso kann ein lagerloser Motor oder dgl. verwendet werden, welcher, während er die radiale Position magnetisch reguliert, eine Rotationskraft durch eine Magnetkraft erzeugt, welche von einer Elektromotorspule erzeugt und durch eine von den Radialpositionssteuer/regelelektromagneten erzeugte magnetische Kraft nicht ausbalanciert wird.

Das Stromversorgungsmittel versorgt die Steuer/Regelelektromagneten mit Strom. Das Steuer/Regelstromerfassungsmittel erfasst den von dem Stromversorgungsmittel zu den Steuer/Regelelektromagneten fließenden Strom. Das Stromanomaliebeurteilungsmittel beurteilt, ob der von dem Steuer/Regelstromerfassungsmittel erfasste Strom einen im Voraus gesetzten Stromwert übersteigt oder nicht.

Das Zeitanomaliebeurteilungsmittel beurteilt, wenn das Stromanomaliebeurteilungsmittel beurteilt, dass der Stromfluss den gesetzten Stromwert übersteigt, ob die Stromüberschreitung über eine im Voraus gesetzte Zeit hinaus andauert oder nicht. Das Stoppmittel stoppt die Stromzufuhr von dem Stromversorgungsmittel zu den Steuer/Regelelektromagneten, wenn das Zeitanomaliebeurteilungsmittel beurteilt, dass die Zeitspanne seit dem Beginn der Stromüberschreitung länger als die gesetzte Zeit ist.

Kurz gesagt, wenn der in die Steuer/Regelelektromagneten fließende Strom einen voreingestellten Wert für eine gegebene Zeitspanne erreicht, wird das Magnetlager gestoppt zum Zweck des Schutzes desselben. Jedoch wird der Wert des in die Steuer/Regelelektromagneten fließenden Stroms nicht eingeschränkt, sodass die Oszillation des Rotors usw. in verschiedenen denkbaren Fällen früh enden wird.

In den meisten Fällen normalisiert sich daher die Situation wieder, bevor das Magnetlager gestoppt werden muss.

Ebenso beschädigt das frühe Ende der Oszillation des Rotors weniger die Aufsetzlager.

Gemäß einer weiteren Maßnahme zur Erreichung des obigen Ziels umfasst eine Turbomolekularpumpe der vorliegenden Erfindung:

Rotorschaufeln;

ein Drehmittel zum Drehen der Rotorschaufeln;

einen Positionssensor zur Erfassung der Position der Rotorschaufeln;

wenigstens ein Paar Steuer/Regelelektromagneten, welche die Rotorschaufeln in der Luft halten und die radiale Position oder die axiale Position der Rotorschaufeln basierend auf einem Positionssignal steuern/regeln können, das durch die von dem Positionssensor vorgenommene Erfassung erhalten wird;

ein Stromversorgungsmittel zur Zufuhr von elektrischem Strom zu den Steuer/Regelelektromagneten;

ein Steuer/Regelstromerfassungsmittel zur Erfassung des in die Steuer/Regelelektromagneten von dem Stromversorgungsmittel fließenden Stroms;

ein Stromanomaliebeurteilungsmittel zur Beurteilung, ob der von dem Steuer/Regelstromerfassungsmittel erfasste Strom einen im Voraus gesetzten Stromwert übersteigt oder nicht;

ein Zeitanomaliebeurteilungsmittel zur Beurteilung, wenn das Stromanomaliebeurteilungsmittel beurteilt, dass der Stromfluss den gesetzten Stromwert übersteigt, ob die Stromüberschreitung über eine im Voraus gesetzte Zeit hinaus andauert oder nicht; und

ein Stoppmittel zum Stoppen der Stromzufuhr von dem Stromversorgungsmittel zu den Steuer/Regelelektromagneten, wenn das Zeitanomaliebeurteilungsmittel beurteilt, dass die Zeitspanne seit dem Beginn der Stromüberschreitung länger als die gesetzte Zeit ist.

Die Pumpe der vorliegenden Erfindung ist eine Anwendung der obigen Magnetlagerschutzvorrichtung auf eine Turbomolekularpumpe.

Mit den obigen Strukturen kann eine stabile Steuerung/Regelung gegenüber der übermäßigen Oszillation der Rotorschaufeln und äußeren Vibrationen aufrecht erhalten werden.

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun nur beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:

1 ein Strukturdiagramm ist, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

2 ein Flussdiagramm ist;

3 ein Strukturdiagramm einer herkömmlichen Turbomolekularpumpe mit einem Magnetlager vom 5-Achsensteuer/regeltyp ist; und

4 ein Diagramm ist, welches zeigt, wie Rotorschaufeln beim Atmosphäreneinbruch oszillieren.

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unten beschrieben. Ein Strukturdiagramm einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in 1 gefunden. Ähnliche Komponenten zu jenen in 3 sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und Erläuterungen derselben werden ausgelassen.

Es gibt keinen Strombegrenzer 17, welcher in einer herkömmlichen Pumpe angeordnet ist, in 1. In 1 gezeigt ist eine Turbomolekularpumpe mit einem daran angebrachten Magnetlager vom 5-Achsensteuer/regeltyp. Es ist daran zu erinnern, dass die vorliegende Erfindung nicht auf Magnetlager vom 5-Achsensteuer/regeltyp begrenzt ist, sondern dass sie bei anderen Spindelmotoren und dgl., welche Magnetlager verwenden, angewendet werden kann.

Als Nächstes wird der Betrieb dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf ein Flussdiagramm in 2 beschrieben.

Der Betrieb ist in 2 veranschaulicht, wobei als ein Beispiel der Steuer/Regelbetrieb für einen Radialpositionssteuer/regelelektromagneten 3A verwendet wird. Ein anderer Radialpositionssteuer/regelelektromagnet 3B und ein Axialpositionssteuer/regelelektromagnet 5 werden durch einen ähnlichen Mechanismus und ähnliche Prozeduren gesteuert/geregelt.

Als Erstes wird der durch den Radialpositionssteuer/regelelektromagneten 3A fließende Strom im Schritt 1 erfasst (als S1 in den Zeichnungen abgekürzt: dasselbe wird nachfolgend angewendet). Im Schritt 2 wird beurteilt, ob der erfasste Strom einen im Voraus gesetzten Stromwert übersteigt oder nicht.

Wenn beispielsweise die Beschränkung durch den Strombegrenzer 17 wie in einem herkömmlichen Fall erfolgen soll, sodass der Strom nicht 2 [A] übersteigt, ist der gesetzte Stromwert 4 [A]. Die Verarbeitung im Schritt 2 entspricht der Funktion eines Stromanomaliebeurteilungsmittels. Wenn der erfasste Strom gleich oder kleiner als der gesetzte Stromwert ist, geht das Verfahren zum Schritt 1 zurück, um erneut den durch den Radialpositionssteuer/regelelektromagneten 3A fließenden Strom zu erfassen.

Wenn im Schritt 2 die Beurteilung erfolgt, dass der Strom den gesetzten Stromwert übersteigt, geht das Verfahren zum Schritt 3 weiter. Im Schritt 3 wird beurteilt, ob der Stromfluss den gesetzten Stromwert wenigstens über eine im Voraus gesetzte Zeit hinaus übersteigt oder nicht. Die gesetzte Zeit beträgt beispielsweise 5 Sekunden. Die Verarbeitung im Schritt 3 entspricht der Funktion des Zeitanomaliebeurteilungsmittels.

Wenn im Schritt 3 die Beurteilung erfolgt, dass die Zeitspanne seit dem Beginn der Stromüberschreitung länger als die gesetzte Zeit ist, geht das Verfahren zum Schritt 4 weiter, wo die Energieversorgung zu allen Stromverstärkern einschließlich eines Stromverstärkers 11A und zu einem Hochfrequenzmotor 21 unterbrochen wird.

Ein gesetzter Stromwert von 4 [A] und eine gesetzte Zeit von 5 Sekunden sind Werte, welche erfolgreich bei der Verhinderung einer Überhitzung im Fall der herkömmlichen Turbomolekularpumpe mit dem oben erwähnten Strombegrenzer 17 sind, um den Strom auf 2 [A] zu begrenzen. Indem der Strom nicht begrenzt wird, während die eingestellte Zeit auf 5 Sekunden gesetzt wird, kann die Oszillation der Rotorschaufeln 1 beim Atmosphäreneinbruch, wie in 4 gezeigt, leicht verhindert werden.

Somit wird der Strom nicht begrenzt, sodass in den meisten Fällen die Situation wieder normalisiert werden kann, bevor die Turbomolekularpumpe im Schritt 4 gestoppt werden muss, was die Oszillation und dgl. der Rotorschaufeln 1 verhindert. Daher kann der Einfluss auf die Aufsetzlager 13, 15 auch verringert werden.

Wie oben beschrieben, wird gemäß der vorliegenden Erfindung die Stromzufuhr zu den Steuer/Regelelektromagneten gestoppt, wenn beurteilt wird, dass der durch die Steuer/Regelelektromagneten fließende Strom den gesetzten Stromwert übersteigt und dass der Stromwert wenigstens über die gesetzte Zeit hinaus andauert, während der Strom nicht begrenzt wird. Daher wird eine Reaktionsgeschwindigkeit in Reaktion auf die übermäßige Oszillation des Rotors und äußere Vibration erhöht, was zu einer frühen Beendigung der Oszillation führt.

Ebenso werden die Aufsetzlager weniger beschädigt.


Anspruch[de]
  1. Magnetlagerschutzvorrichtung umfassend:

    einen Positionssensor zur Erfassung der Position eines Rotors;

    wenigstens ein Paar Steuer/Regelelektromagneten, welche den Rotor in der Luft halten und die radiale Position oder die axiale Position des Rotors basierend auf einem Positionssignal steuern/regeln können, welches durch die von dem Positionssensor vorgenommene Erfassung erhalten wird;

    ein Stromversorgungsmittel zur Zufuhr von elektrischem Strom zu den Steuer/Regelelektromagneten;

    ein Steuer/Regelstromerfassungsmittel zur Erfassung des in die Steuer/Regelelektromagneten von dem Stromversorgungsmittel fließenden Stroms;

    ein Stromanomaliebeurteilungsmittel zur Beurteilung, ob der von dem Steuer/Regelstromerfassungsmittel erfasste Strom einen im Voraus gesetzten Stromwert übersteigt oder nicht;

    ein Zeitanomaliebeurteilungsmittel zur Beurteilung, wenn das Stromanomaliebeurteilungsmittel beurteilt, dass der Stromfluss den gesetzten Stromwert übersteigt, ob die Stromüberschreitung über eine im Voraus gesetzte Zeit hinaus andauert oder nicht; und

    ein Stoppmittel zum Stoppen der Stromzufuhr von dem Stromversorgungsmittel zu den Steuer/Regelelektromagneten, wenn das Zeitanomaliebeurteilungsmittel beurteilt, dass die Zeitspanne seit dem Beginn der Stromüberschreitung länger als die gesetzte Zeit ist.
  2. Turbomolekularpumpe umfassend:

    Rotorschaufeln;

    ein Drehmittel zum Drehen der Rotorschaufeln;

    einen Positionssensor zur Erfassung der Position der Rotorschaufeln;

    wenigstens ein Paar Steuer/Regelelektromagneten, welche die Rotorschaufeln in der Luft halten und die radiale Position oder die axiale Position der Rotorschaufeln basierend auf einem Positionssignal steuern/regeln können, das durch die von dem Positionssensor vorgenommene Erfassung erhalten wird;

    ein Stromversorgungsmittel zur Zufuhr von elektrischem Strom zu den Steuer/Regelelektromagneten;

    ein Steuer/Regelstromerfassungsmittel zur Erfassung des in die Steuer/Regelelektromagneten von dem Stromversorgungsmittel fließenden Stroms;

    ein Stromanomaliebeurteilungsmittel zur Beurteilung, ob der von dem Steuer/Regelstromerfassungsmittel erfasste Strom einen im Voraus gesetzten Stromwert übersteigt oder nicht;

    ein Zeitanomaliebeurteilungsmittel zur Beurteilung, wenn das Stromanomaliebeurteilungsmittel beurteilt, dass der Stromfluss den gesetzten Stromwert übersteigt, ob die Stromüberschreitung über eine im Voraus gesetzte Zeit hinaus andauert oder nicht; und

    ein Stoppmittel zum Stoppen der Stromzufuhr von dem Stromversorgungsmittel zu den Steuer/Regelelektromagneten, wenn das Zeitanomaliebeurteilungsmittel beurteilt, dass die Zeitspanne seit dem Beginn der Stromüberschreitung länger als die gesetzte Zeit ist.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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