Eine typische Zwei-Wellen-Vakuumpumpe ist die Wälzkolbenpumpe, auch Roots-Pumpe genannt. Beide Wellen der Wälzkolbenpumpe wei- sen jeweils einen Drehkolben auf, die gegenseitig berührungs- frei abwälzen. Eine der beiden Wellen wird durch einen elektri- schen Antriebsmotor angetrieben, während die andere Welle durch ein Getriebe mit der einen Antriebswelle synchronisiert ist.

Während des Pumpbetriebes werden die Wälzkolben durch die Gas- kompression stark erwärmt.

Als Antriebsmotoren werden. wegen der einfachen Steuer-und Regelbarkeit in der Praxis ausschließlich Asynchronmotoren eingesetzt. Der auf der Antriebswelle sitzende Motorrotor des Asynchronmotors ist als sogenannter Käfigläufer ausgebildet.

Der als Käfigläufer ausgebildete Motorrotor hat eine relativ große Masse und axiale Baulänge. Wegen der hieraus zwangsläufig resultierenden großen Unwucht-Kräfte und der daraus resultierenden Vibrationen muss die Antriebswelle im Bereich des Antriebsmotors mit mindestens einem Stützlager abgestützt werden. Die Kühlung und die Schmierung des bzw. der Stützlager ist insbesondere aufgrund ihrer Anordnung im gasdicht abgedichteten Bereich der Vakuumpumpe problematisch und nur mit hohem Aufwand realisierbar.

Aus DE-A-38 28 608, die den Stand der Technik zeigt, von der der Oberbegriff des Anspruches 1 ausgeht, ist eine Vakuum- Wälzkolbenpumpe bekannt, die durch einen Synchronmotor angetrieben wird. Die konkrete Ausbildung des Motorrotors ist nicht beschrieben. Synchronmotoren sind für Vakuumpumpen prinzipiell ungeeignet, da der Motorrotor über wärmeerzeugende Schleifkontakte fremderregt wird. Ein permanenterregter Synchronmotor-Rotor ist ungeeignet, da er durch die konstante Rotorerregung ein über die Drehzahl konstantes Drehmoment liefert und bei höheren Drehzahlen eine Überhitzung des Pumpenrotors droht. In der Praxis werden daher keine Synchronmotoren zu Antrieb von Vakuumpumpen eingesetzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Zwei-Wellen-Vakuumpumpe mit einem verbesserten Antrieb zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An- spruchs 1 gelöst.

Gemäß der Erfindung ist der Antriebsmotor ein Synchronmotor, wobei der Rotor durch mindestens einen Permanentmagneten perma- nent erregt ausgebildet ist. Der permanent erregte Rotor eines Synchronmotors ist wegen seines konstant starken Magnetfeldes und der geringen Verlustleistung von geringer Masse und gerin- ger Baulänge. Hierdurch können gegebenenfalls alle Wellen- Stützlager zur zusätzlichen Abstützung der Antriebswelle ent- fallen, wodurch auch die mit der Kühlung und Schmierung der Stützlager verbundenen Probleme entfallen.

Durch die geringere Verlustleitung in dem permanent erregten Rotor sind auch die Erwärmung des Rotors und die damit verbun- denen Probleme verringert.

Ferner ist ein Synchronmotor-Leistungsbegrenzer vorgesehen, der in einem oberhalb einer festgelegten Motor-Nenndrehzahl liegenden Begrenzerbereich die Motorleistung auf eine festge- legte maximale Motorleistung begrenzt. Der Leistungsbegrenzer begrenzt die Antriebsleistung bei einer Drehzahl oberhalb der Nenndrehzahl auf einen konstanten Wert. Dies erfolgt dadurch, dass das Drehmoment bei einer Wellen-Drehzahl oberhalb der Nenndrehzahl reduziert ist.

Die Motorleistung ergibt sich aus Pm mm x Co, wobei co = 2s n PM die Motorleistung MM das Motor-Drehmoment bei der Drehzahl n und n die Motordrehzahl ist.

Durch die Drehmoment-Reduzierung im Begrenzerbereich wird sichergestellt, dass die Pumpe auch bei hohen Drehzahlen von bis zu 8.000 Umdrehungen pro Minute arbeiten kann, jedoch die Pumpleistung auf einen konstanten Maximalwert begrenzt ist. Die Wärmeabführungsmöglichkeiten zur Abführung der Wälzkolbenwärme sind wegen des geringen Gasdruckes und konstruktionsbedingt sehr eingeschränkt. Durch Begrenzung der Motorleistung und damit der Pumpleistung ohne gleichzeitige Drehzahlbegrenzung wird eine Überhitzung der Vakuumpumpe und insbesondere der Wälzkolben zuverlässig vermieden, wobei gleichzeitig ein hoher Gas-Volumenstrom ermöglicht bleibt. Der Synchronmotor wird im Begrenzerbereich im sogenannten Feldschwächbereich betrieben.

Der magnetische Fluss des permanentmagnetischen Motorrotors ist konstant, so dass eine Änderung des Motordrehmomentes nur durch eine entsprechende Steuerung des Statorfeldes erfolgen kann.

Permanenterregte Motorrotoren in Vakuumpumpen wurden in der Praxis bisher nicht verwendet, weil durch das über den gesamten Drehzahlbereich prinzipbedingt gleichbleibende Drehmoment bei hohen Drehzahlen eine Überhitzungsgefahr für den Rotor durch mit der Drehzahl zunehmende Kompressionswärme bestand. Diese Nachteile ließen es bisher abwegig bzw. unmöglich erscheinen, zum Antrieb einer Vakuumpumpe einen permanenterregten Synchronmotor einzusetzen. Durch die Begrenzung der Motorleistung im Begrenzerbereich durch Feldschwächbetrieb wird die kompressionsbedingte Erwärmung des Motorrotors bei größeren Drehzahlen auf einen konstanten Wert begrenzt. Erst hierdurch wird die Verwendung eines permanenterregten Synchronmotors zum Antrieb einer Vakuumpumpe ermöglicht und sinnvoll, wobei bis zum Erreichen des Begrenzerbereiches das maximale Drehmoment des Motors genutzt werden kann.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung stellt der Leistungs- begrenzer im Begrenzerbereich den Phasenwinkel zwischen dem elektrischen Statorfeld und dem Motor-Magnetfeld auf einen von 90 Grad verschiedenen Winkel ein. Das elektrische Statorfeld wird mit seiner Phasenlage gegenüber dem Rotor-Magnetfeld der- art eingestellt, dass das Drehmoment entsprechend reduziert ist.

Alternativ oder ergänzend reduziert der Leistungsbegrenzer im Begrenzerbereich den Betrag des Statorstroms. Auch hierdurch wird das Drehmoment MM reduziert, das proportional zum Sta- torstrom ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung stellt der Leistungs- begrenzer im Begrenzerbereich den Phasenwinkel bzw. den Sta- torstrom drehzahlabhängig ein. Mit zunehmender Drehzahl im Be- grenzerbereich zwischen der Nenndrehzahl und der maximalen Drehzahl wird der Phasenwinkel bzw. der Statorstrom so verän- dert, dass das Drehmoment mit zunehmender Drehzahl derart ab- nimmt, dass die Motorleistung oberhalb der Nenndrehzahl stets annähernd konstant ist. Hierdurch wird bei jeder Drehzahl die maximal zulässige Motorleistung zur Verfügung gestellt, jedoch nicht überschritten. Die Vakuumpumpe ist vor Überhitzung ge- schützt.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die den Motorrotor aufweisende Welle am motorseitigen Ende fliegend und stützla- gerfrei gelagert. Die Welle wird ausschließlich von den beiden Hauptlagern gelagert, die an beiden Längsenden des Pumpenrotors angeordnet sind. Die mit der Kühlung und Schmierung von Motor- Stützlagern verbundenen Konstruktionen entfallen.

Vorzugsweise weist der Motorrotor mehrere Permanentmagneten auf, die an der Außenseite des Motorrotorkörpers angeordnet sind. Es kann auch ein oder können mehrere Permanentmagneten in entsprechenden Ausnehmungen des Motorrotorkörpers angeordnet sein.

Vorzugsweise weist der Motorrotor insbesondere für den Betrieb mit für die Motormaterialien schädlichen Gasen eine Rotorkapsel aus einem nichtmagnetischen Material auf, die den Motorrotor- körper und die Permanentmagneten außen umgibt. Hierdurch werden die außen an dem Motorrotorkörper angeordneten Permanentmagne- ten gesichert und vor gegebenenfalls aggressiven Gasen und Flüssigkeiten und somit vor Korrosion geschützt. Die Rotorkap- sel kann aus einem nichtmagnetischen Metall oder aus Kunststoff bestehen.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist statorseitig ein Spalttopf aus einem nichtmagnetischen Material vorgesehen, der den Rotor gegenüber dem Stator gasdicht verschließt. Der Spalt- topf besteht aus einem nichtmagnetischen Metall oder Kunst- stoff. Durch den Spalttopf wird der Pumpenbereich gasdicht ge- genüber der Umgebung abgeschlossen, wobei der Motorrotor inner- halb des Pumpenbereiches und der Motorstator außerhalb des Pum- penbereiches liegen. Durch die Verwendung eines permanent er- regten Synchronmotors kann der Spalt zwischen Rotor und Stator relativ groß ausgebildet sein. Hierdurch wird der Einsatz eines Spalttopfes erleichtert.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind ein den Spalttopf haltender Pumpendeckel und ein den Motorstator umgebendes Sta- torgehäuse einstückig miteinander ausgebildet. Hierdurch wird die Anzahl der Bauteile und die Anzahl der Fügestellen redu- ziert. Vorzugsweise besteht der Permanentmagnet aus seltenen Erden. Mit Permanentmagneten aus seltenen Erden können starke Magnet- felder von langer Dauer bei kleiner Baugröße realisiert werden.

Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Aus- führungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen : Fig. 1 eine Zwei-Wellen-Vakuumpumpe im Längsschnitt, Fig. 2 ein Detail des Antriebsmotors der Vakuumpumpe der Fi- gur 1, und Fig. 3 ein Diagramm mit der Motorleistung, dem Motordrehmo- ment der Pumpen-Momentenkennlinie und der Pumpenleis- tung für die Vakuumpumpe der Figuren 1 und 2 mit einem 4,8 kW Antriebsmotor.

In Figur 1 ist eine als Wälzkolbenpumpe ausgebildete Zwei-Wel- len-Vakuumpumpe 10 dargestellt, die zwei Rotor-Wellen 12,14 aufweist. Jede Rotor-Welle 12,14 weist einen als Wälzkolben ausgebildeten Pumpenrotor 16,18 auf. Eine Rotor-Welle 14 ist durch einen elektrischen Antriebsmotor 20 angetrieben, während die andere Welle 12 über ein von zwei Zahnrädern 22,23 gebil- detes Getriebe 24 angetrieben und mit der einen Rotor-Welle 14 synchronisiert ist.

Der Antriebsmotor 20 ist ein Synchronmotor und wird im Wesent- lichen gebildet von einem permanent erregten Motorrotor 26 und einem mehrere Statorspulen 30,31 aufweisenden Motorstator 28.

Der Aufbau des Motorrotors 26 ist vergrößert in Figur 2 darge- stellt : Der Motorrotor 26 besteht aus einem topfförmigen Rotor- körper 34, der an seinem Außenumfang mehrere Ausnehmungen 36 aufweist, in die jeweils ein aus seltenen Erden bestehender Permanentmagnet 38 eingeklebt ist. Der gesamte Außenumfang des Rotors 26 wird von einer zylindrischen Rotorkapsel 40 aus einem nichtmagnetischen Material umgeben. Die Rotorkapsel 40 hält die Permanentmagnete 38 auch bei hohen Rotordrehzahlen in den Ausnehmungen 36 und schirmt die Permanentmagnete 38 zuverlässig ab gegen korrosionsfördernde Gase und Flüssigkeiten. Die Rotor- kapsel 40 besteht aus nichtmagnetischem Edelstahl, kann jedoch auch aus CFK oder anderen nichtmagnetischen Materialien beste- hen. Der Rotorkörper 34 kann geblecht oder massiv ausgebildet sein. Zwischen dem Rotor 26 und dem Stator 28 ist ein topfartig ausgebildeter Spalttopf 42 vorgesehen, der statorseitig mit einem Motorgehäuse 44 verbunden ist. Der Spalttopf dichtet den Motorrotor 26 gegenüber dem Stator 28 gasdicht ab. Der Spalt- topf 42 besteht aus nichtmagnetischem Edelstahl, kann jedoch auch aus CFK oder anderen nichtmagnetischen Materialien beste- hen.

Der Motorrotor 26 ist durch seine Auslegung als mit Permanent- magneten 38 permanent erregter Rotor einer Synchronmaschine von geringer axialer Baulänge und geringer Masse. Hierdurch wird ermöglicht, dass die den Motorrotor 26 tragende Welle 14 al- leine durch zwei Pumpenrotor-Wälzlager 46,47 getragen wird und ihr motorseitiges Ende stützlagerfrei ausgebildet ist. Der Mo- torrotor 26 ist also vollständig fliegend gelagert.

Das Motorgehäuse 44 ist einstückig ausgebildet und weist einen den Spalttopf 42 haltenden Pumpendeckel 48 und ein den Mo- torstator 28 umgebendes Statorgehäuse 50 auf. Der Pumpendeckel . 48 hält den Spalttopf 42 und dichtet den Schöpfraum 52 nach außen gasdicht ab. In einem aufgesetzten Gehäuse 54 an der Außenseite des Motorgehäuses 44 ist eine Motorsteuerung 56 un- tergebracht. Die Motorsteuerung 56 steuert und regelt die Ver- sorgung der Statorspulen 30,31.

Die Motorsteuerung 56 umfasst einen Synchronmotor-Leistungs- begrenzer 58, durch den oberhalb einer festgelegten Motor-Nenn- drehzahl nN die Motorleistung PM auf eine festgelegte maximale Motorleistung PMmaX begrenzt, wie in Figur 3 dargestellt. Hier- durch wird auch die maximale Pumpenleistung auf einen Maximal- wert begrenzt. Dies ist erforderlich, um eine Überhitzung der Pumpenrotoren 16,18 zu vermeiden. Die Motorsteuerung 56 um- fasst ferner einen Frequenzumrichter zum Anfahren des Antriebs- motors und zur Drehzahlregelung.

Die Motorleistung PM ergibt sich aus <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> pM = # # M<BR> Pm = (O-mm, wobei O = 2s n und n die Drehzahl und MM das Motor-Drehmoment ist. Bei steigender Drehzahl kann die Motorleistungsbegrenzung also nur durch Reduzieren des Motordrehmoments MM erfolgen.

Der Drehzahlbereich zwischen der Nenndrehzahl nN, bei der die maximale Motorleistung PMmaX erreicht ist, und der Maximaldreh- zahl nmax wird Begrenzerbereich genannt. Da der von dem perma- nent erregten Motorrotor 26 erzeugte magnetische Fluss stets konstant ist, kann das Drehmoment im Begrenzerbereich nur durch eine entsprechende Regelung der Statorspulen 30,31 erfolgen.

Im Begrenzerbereich werden die Statorspulen 30,31 daher derart angesteuert, dass das Drehmoment mit zunehmender Drehzahl und umgekehrt proportional zur Drehzahl verringert ist. Der An- triebsmotor 20 wird im Begrenzerbereich im sogenannten Feld- schwächbereich betrieben.

Hierzu wird im Begrenzerbereich der Statorstrom entsprechend der erforderlichen Drehmomentreduzierung reduziert. Alternativ oder ergänzend kann der Leistungsbegrenzer 58 im Begrenzerbe- reich den Phasenwinkel zwischen dem Motor-Magnetfeld und dem elektrischen Statorfeld auf einen von 90° verschiedenen Winkel einstellen. Die Regelung des Motorstromes bzw. des Phasenwin- kels im Begrenzerbereich erfolgt stets drehzahlabhängig.

Wie in Figur 3 erkennbar, liegt das Pumpendrehmoment Mp und die Pumpenleistung Pp durch Reibungsverluste etc. stets etwas un- terhalb des Motor-Drehmoments MM bzw. der Motorleistung PM. Eine Überhitzung des Pumpenrotors ist bei richtiger Bemessung und Einstellung der maximalen Pumpen-bzw. Motorleistung ausge- schlossen.