Vakuumpumpe

Die Erfindung bezieht sich auf eine schnelllaufende magnetgelagerte Vakuumpumpe mit Fanglagern.

Schnelllaufende Vakuumpumpen, beispielsweise Turbomolekular-

Vakuumpumpen, werden mit Nenndrehzahlen von mehreren 10.000 bis zu 100.000 U/min betrieben. Für derartige Vakuumpumpen eignen sich insbesondere reibungsfreie Magnetlager zur Lagerung des Pumpenrotors. Bei Ausfall des Magnetlagers, bei Stößen und immer dann, wenn die Magnetlagerung ihrer Aufgabe nicht oder nicht vollständig nachkommen kann, wird der

Pumpenrotor von einem oder mehreren zugeordneten mechanischen Fanglagem gestützt, die als Wälz- oder Gleitlager ausgebildet sein können. Ein vollständiger Auslauf einer zuvor mit Nenndrehzahl laufenden Vakuumpumpe kann mehrere Stunden dauern. Falls dies bei Ausfall der Magnetlagerung erfolgt, werden die Fanglager erheblich beansprucht, so dass diese nur wenige sogenannte Vollausläufe vertragen.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Vakuumpumpe zu schaffen, bei der die Fanglager bei Ausfällen der Magnetlagerung zuverlässig geschont werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.

Die erfindungsgemäße Vakuumpumpe weist ein Bremsrelais mit mehreren Wechslern auf, wobei jeder Wechsler einen Basiskontakt, einen Bremskontakt und einen Betriebskontakt aufweist. Die wechselnde Verbindung wird zwischen dem Basiskontakt einerseits und dem Bremskontakt oder dem Betriebskontakt andererseits hergestellt. Die Bremskontakte sind direkt miteinander verbunden und bilden auf diese Weise einen gemeinsamen Kurzschlusspunkt. Die Statorspulen des Antriebsmotors sind an die Basiskontakte des Wechslers angeschlossen. Die Statorspulen werden in der Bremsstellung des Wechslers über den Kurzschlusspunkt unmittelbar miteinander elektrisch verbunden. In der Betriebsstellung des Wechslers werden die Statorspulen über die Betriebskontakte einzeln mit einem Wechselrichter-Modul verbunden. In dem Wechselrichter-Modul wird das für den Betrieb des Antriebsmotors benötigte elektrische Bestromungsmuster erzeugt. Bei störungsfreiem Betrieb sind die Statorspulen über die Betriebskontakte des Wechslers mit dem Wechselrichter- Modul verbunden, das für die jeweilige Statorspule entsprechende Bestromungsmuster generiert. Für jede Statorspule ist jeweils ein entsprechender Wechsler vorgesehen.

Im Falle einer Störung bzw. eines Fehlers wird das Bremsrelais in seine Bremsstellung umgeschaltet, so dass die Statorspulen nicht mehr mit dem Wechselrichter-Modul, sondern ausschließlich direkt miteinander verbunden sind. Durch die einfache Ausbildung des Bremsrelais als Wechsler und die einfache Umschaltung im Fehler- bzw. Störungsfall von der Betriebsstellung in die Bremsstellung wird auf sehr einfache Weise eine zuverlässige Umschaltung für den Fehlerfall zur Verfügung gestellt.

Nach der Umschaltung des Bremsrelais in die Bremsstellung arbeitet der Antriebsmotor als Generator. Die von dem Generator in den Antriebsmotor- Statorspulen erzeugten elektrische Energie wird in Form von Wärme über das Gehäuse der Vakuumpumpe abgeleitet bzw. gepuffert. Die gesamte Bremsanordnung, die im Wesentlichen aus dem Bremsrelais und den Statorspulen besteht, ist äußerst einfach und robust, und damit zuverlässig. Im Fehlerfall wird durch die sofortige Umschaltung des Wechslers in die Bremsstellung und das sofortige Einsetzen der Bremswirkung eine schnelle und effiziente Drehzahlverringerung realisiert.

Durch die sofortige Trennung des Wechselrichter-Moduls von den Statorspulen wird verhindert, dass, insbesondere für den Fall, dass das Wechselrichter-Modul selbst fehlerhaft und Ursache für Zerstörungsgefahr ist, nach einer Detektion einer derartigen Störung das Wechselrichter-Modul noch schädigend wirken kann.

Vorzugsweise ist der Motorstator, der im Wesentlichen von den Statorspulen und einem Statorblech gebildet wird, luftspaltfrei mit einem Wärmeaufnahmekörper verbunden. Beispielsweise kann der Motorstator hierzu in einen entsprechend ausgebildeten Wärmeaufnahmekörper eingepresst sein, so dass sich die Grenzflächen großflächig berühren und eine gute Wärmeleitung aufweisen. Gegebenenfalls kann der Wärmeaufnahmekörper mit dem Rotorstator mit Hilfsmitteln, wie beispielsweise Wärmeleitpaste, Wärmeleitfolien etc., gut

wärmeleitend verbunden sein. Durch das Vorsehen eines Wärmeaufnahmekörpers kann die im Bremsfall in den Statorspulen auftretende Wärme zuverlässig und effektiv von dem Motorstator abgeführt werden, um in einer großen Wärmekapazität gespeichert bzw. an die umgebende Atmosphäre abgeführt werden zu können.

Zwischen dem Motorstator und dem Wärmeaufnahmekörper ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ein mittlerer Wärmewiderstand von weniger als 0,1 K/W anzutreffen. Hierdurch wird auch bei hohen Bremsleistungen und relativ kleinen Grenzflächen zwischen dem Motorstator und dem Wärmeaufnahmekörper eine zuverlässige Abfuhr der Bremswärme sichergestellt, und eine überhitzung der Statorspulen vermieden.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist dem Motorstator und/oder dem Wärmeaufnahmekörper ein Temperatursensor zugeordnet, wobei ein Leistungsschalter die elektrische Bremsleistung abhängig von der durch den Temperatursensor gemessenen Temperatur beeinflusst. Hierdurch wird eine überhϊtzung der Statorspulen absolut zuverlässig vermieden. Der Leistungsschalter kann einstufig, kann jedoch auch stufenlos ausgebildet sein.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Wärmeaufnahmekörper von dem Pumpen-Gehäuse gebildet. Der Motorstator ist also direkt oder indirekt, jedenfalls gut wärmeleitend, mit dem Pumpen-Gehäuse verbunden. Das Pumpen-Gehäuse besteht bevorzugt aus Aluminium, da Aluminium gute Wärmeleit- und Wärmekapazitäts-Eigenschaften aufweist.

Alternativ oder ergänzend kann der Wärmeaufnahmekörper auch von einem separaten Wärmeabsorptionselement gebildet werden, das aus einem anderen Material besteht, als das Pumpen-Gehäuse und der Motorstator bzw. das Statorblech. Beispielsweise kann das Wärmeabsorptionselement aus einem Material bestehen, das zwischen 30° C und 80° C einen Phasenübergang

aufweist. Da ein Phasenübergang stets mit einem hohen Wärmeenergie-Verzehr verbunden ist, kann ein derartig ausgebildetes Wärmeabsorptionselement sehr viel Energie aufnehmen, ohne sich dabei erheblich zu erwärmen. Als ein derartiges Material ist beispielsweise ein niedertemperaturiges Metall, Wachs, Wasser u.a. geeignet. Während ein Material, das in dem genannten Temperaturbereich einen Phasenübergang zwischen einem Festkörper und einer Flüssigkeit aufweist, ein reversibles Verhalten hat, ist der Einsatz von Wasser als Material für das Wärmeabsorptionselement auf einen irreversiblen Phasenübergang beschränkt. Das Wasser müsste nach einem Bremsfall wieder aufgefüllt werden.

Vorzugsweise ist der Bremskontakt ein Ruhekontakt und ist der Betriebskontakt ein Arbeitskontakt des Bremsrelais. Grundsätzlich kann der Bremskontakt auch als Arbeitskontakt und der Ruhekontakt als Betriebskontakt ausgebildet sein. Allerdings würde eine derartige Anordnung bei Ausfall der Energieversorgung für den Betrieb des Bremsrelais dafür sorgen, dass das Bremsrelais nicht mehr in den Bremszustand bzw. in die Bremsstellung gebracht werden könnte. Es ist daher vorteilhaft, für die Verbindung der Motorspulen miteinander die Ruhekontakte des Bremsrelais zu verwenden.

Vorzugsweise ist das Fanglager als Gleitlager ausgebildet. Vorzugsweise ist das Bremsrelais ein mechanisches Relais. Nur ein mechanisches Relais bietet, im Gegensatz zu einem elektronischen Relais, die Möglichkeit einer echten galvanischen Trennung der Statorspulen des Antriebsmotors von der übrigen Steuerung und Regelung der Vakuumpumpe. Das mechanische Relais fällt bei völligem Ausfall der Energieversorgung selbsttätig in seine Ruhestellung, die bevorzugt die Fehlerstellung bzw. die Bremsstellung ist, so dass eine weitgehende Sicherheit in Bezug auf ein Durchbrennen und auf einen unerwünschten Kurzschluss der Wechslerkontakte besteht.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist eine Relais-Steuerung zur Steuerung des Bremsrelais vorgesehen, die einen Fehlermeldungs-Eingang aufweist, der mit einem elektrischen Modul verbunden ist, wobei die Relais-Steuerung das Bremsrelais in einen Fehlerzustand schaltet, wenn an einem Fehlermeldungs- Eingang ein Fehlermeldungs-Signal mindestens eines elektrischen Moduls anliegt. Ein elektrisches Modul in diesem Sinne kann das Wechselrichter-Modul sein, kann ein Rechner-Modul, ein Watchdog-Modul, das den Betrieb des Rechner-Moduls überwacht, ein Netzteil-Modul und/oder ein Magnetlagersteuerungs-Modul sein. Jedes der genannten Module ist bevorzugt mit einer eigenen Signalleitung an einem eigenen Fehlermeldungs-Eingang der Relais-Steuerung angeschlossen.

Die Relais-Steuerung ist ein eigenes Modul, das das Bremsrelais steuert. Die Relais-Steuerung weist mehrere Fehlermeldungs-Eingänge auf, die jeweils mit einem elektrischen Modul der Vakuumpumpe verbunden sind, die mit dem Betrieb des Pumpenrotors direkt oder indirekt zu tun haben, und insbesondere mit dem Betrieb des Magnetlagers und des Antriebsmotors zu tun haben. Wenn nur ein einziges der auf diese Weise mit einem Fehlermeldungs-Eingang der Relais-Steuerung verbundenes Modul eine Fehlermeldung an die Relais- Steuerung meldet, wird das Bremsrelais in den Fehlerzustand geschaltet.

Durch die sofortige Abtrennung des Wechselrichter-Moduls von den Motorspulen wird verhindert, dass, insbesondere für den Fall, dass das Wechselrichter-Modul selbst fehlerhaft und die Ursache für Zerstörungsgefahr ist, nach Detektion einer derartigen Störung das Wechselrichter-Modul nicht mehr schädigend wirken kann.

Die Einleitung des Fehler- bzw. Bremszustandes erfolgt nicht unmittelbar durch das Wechselrichter-Modul. Bei Auswahl des Wechselrichter-Moduls wird die Funktionalität des Bremsrelais bzw. der Relais-Steuerung nicht beeinträchtigt.

-j _

Das Bremsrelais ist in seinem Betriebszustand bzw. in seiner Betriebsstellung, in dem die Motorspulen mit dem Wechselrichter-Modul verbunden sind, wenn

• die elektrische Spannungsversorgung nicht eine zu niedrige oder zu hohe Spannung zur Verfügung stellt,

• das Rechner-Modul nicht einen Fehler in irgendeinem der anderen Module festgestellt hat,

• das Watchdog-Modul, das seinerseits den korrekten Betrieb des Rechner- Moduls überwacht, keinen Fehler feststellt, und

• keine wichtige elektrische Leitung zwischen einer Pumpeneinheit und der Steuereinheit unterbrochen ist.

Selbstverständlich können weitere Module und Bauteile der Vakuumpumpe mit einem Fehlermeldungs-Eingang der Relais-Steuerung verbunden sein.

Vorzugsweise sind die Fanglager als Gleitlager ausgebildet. Gleitlager sind grundsätzlich preiswerter als Wälzlager. Durch die zuverlässige Abbremsung des Pumpenrotors im Fehler- bzw. Bremsfall wird der Verschleiß des Gleitlagers erheblich reduziert. Hierdurch kann auch für hohe Nenndrehzahlen und hohe Pumpenrotor-Massen ein relativ preiswertes Gleitlager als Fanglager verwendet werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Vakuumpumpe eine Turbomolekular-Vakuumpumpe. Turbomolekular-Vakuumpumpen werden üblicherweise bei sehr hohen Drehzahlen von mehreren 10.000 U/min betrieben und sind daher prädestiniert für den Einsatz eines Magnetlagers, dem jeweils ein entsprechendes Fanglager zugeordnet ist.

Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zwei äusführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen :

Figur 1 schematisch eine Vakuumpumpe mit einem Bremsrelais, das die

Statorspulen des Antriebsmotors im Fehler- bzw. Bremsfall miteinander kurzschließt, wobei der Wärmeaufnahmekörper von dem Pumpen-Gehäuse gebildet wird,

Figur 2 eine Vakuumpumpe, wie in der Figur 1, mit dem Unterschied, dass der Wärmeaufnahmekörper von einem separaten

Wärmeabsorptionselement gebildet wird.

In den Figuren 1 und 2 ist eine Turbomolekular-Vakuumpumpe 10 dargestellt, die aus einer Pumpeneinheit 12 und einer Steuereinheit 14 besteht, die durch elektrische Verbindungsleitungen 40 miteinander verbunden sind.

Die Vakuumpumpe 10 weist in ihrer Pumpeneinheit 12 einen Pumpenrotor 16 auf, der von einem elektrischen Antriebsmotor 18 mit einer Nenndrehzahl von bis zu 100.000 U/min angetrieben wird. . Die Rotorwelle ist magnetisch in zwei Magnetlagern 20,21 gelagert, die jeweils mehrachsig sind und zusammen eine fünfachsige Magnetlagerung bilden. Den Magnetlagern 20,21 sind Fanglager 22,23 zugeordnet, die als mechanische Gleitlager oder als Wälzlager ausgebildet sind.

Der Antriebsmotor 18 ist ein dreiphasiger DC-Brushless-Motor und weist drei Statorspulen 19 _! ,19 ₂ ,1Q ₃ auf. Der Antriebsmotor kann jedoch auch als Asynchron-Maschine oder als Reluktanz-Motor ausgebildet sein.

Die Pumpeneinheit 12 weist ferner ein Bremsrelais 42 auf, das drei Wechsler aufweist. Der Wechsler weist drei Basiskontakte 62,63,64, drei als Arbeitskontakte ausgebildete Betriebskontakte 47,48,49 sowie drei als Ruhekontakte ausgebildete Bremskontakte 44,45,46 auf. Die drei Statorspulen 19i,19 ₂ ,19 ₃ sind jeweils mit einem Basiskontakt 62,63,64 verbunden. Die Bremskontakte 44,45,46 sind über einen Leistungsschalter 54 jeweils direkt miteinander verbunden. Die Verbindung der drei Bremskontakte 44,45,46 hinter dem Leistungsschalter 54 bildet einen Kurzschlusspunkt 60.

Der Leistungsschalter 54 ist mit einem Temperatursensor 58 gekoppelt, der an dem Motorstator 72 wärmeleitend befestigt ist. Bei drohender überhitzung der Statorspulen 19i,19 ₂ ,19 ₃ im Bremsfall wird der Leistungsschalter 54 geöffnet, und wird erst wieder geschlossen, wenn die von dem Temperatursensor 58 ermittelte Temperatur des Motorstators 72 wieder auf eine zulässige Temperatur abgesunken ist. Der Leistungsschalter 54 kann auch die Bremsleistung stufenlos regelnd ausgelegt sein.

Die Vakuumpumpe 10 der Figur 1 ist mit ihrem Motorstator 72 wärmeleitend unmittelbar mit dem Pumpen-Gehäuse 70 verbunden, das aus Aluminium besteht. Zwischen dem Motorstator 72 und dem Pumpen-Gehäuse 70 ist eine Wärmeleitschicht 68 vorgesehen, in Form einer Wärmeleitpaste oder einer Wärmeleitfolie. Die Wärmeleitschicht 68 stellt eine gut wärmeleitende Verbindung zwischen dem Motorstator 72 und dem Gehäuse 70 her, so dass in diesem Bereich ein geringer Wärmewiderstand hergestellt ist. Auch die Statorspulen 19i,19 ₂ ,19 ₃ sind gut wärmeleitend mit dem Statorblech des Motorstators verbunden, beispielsweise durch Verguss in einer gut wärmeleitenden Vergussmasse und/oder Verwendung eines Formschluss- Wickelträgers. Da ein Teil der Bremsenergie in den Statorspulen 19i,19 ₂ ,19 ₃ abgebaut wird, wird durch einen geringen Wärmewiderstand eine gute Wärmeleitung von den Statorspulen 19i,19 ₂ ,19 ₃ zu dem Wärmeaufnahmekörper

sichergestellt. Das Gehäuse 70 bildet in dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 einen Wärmeaufnahmekörper 70.

Im Ausführungsbeispiel der Figur 2 wird der Wärmeaufnahmekörper von einem separaten Wärmeabsorptionselement 66 gebildet, das den Motorstator 72 umgibt und gut wärmeleitend an diesen angekoppelt ist. Das Wärmeabsorptionselement besteht aus einem Material, das in einem Bereich zwischen 30° C und 80° C seinen Aggregatzustand ändert, beispielsweise Wachs. Als Wärmeaufnahmeelement-Material kann beispielsweise auch ein niedertemperaturiges Metall, beispielsweise Blei oder ähnliche Materialien, verwendet werden. Als Wärmeaufnahmeelement-Material kann auch Wasser dienen, dessen Phasenübergang von flüssig nach gasförmig jedoch irreversibel wäre.

Die Steuereinheit 14 weist ein Netzteil-Modul 30 zur Spannungsversorgung aller übrigen Module und Bauteile, ein Wechselrichter-Modul 32 zur Bestromung der Motorspulen 19i,19 ₂ ,19 ₃ , ein Magnetlagersteuerungs-Modul 34 zur Steuerung der Magnetlager 20,21, ein Rechner-Modul 36 zur Steuerung und überwachung insbesondere des Magnetlagersteuerungs-Moduls 34 und des Wechselrichter- Moduls 32, ein Watchdog-Modul 38 zur überwachung der Funktionalität des Rechner-Moduls 36 sowie eine Relais-Steuerung 28 zur Steuerung des Bremsrelais 42 auf.

Die Relais-Steuerung 28 weist mehrere Fehlermeldungs-Eingänge auf, die über entsprechende elektrische Signalleitungen mit dem Wechselrichter-Modul 32, dem Rechner-Modul 36 und dem Watchdog-Modul 38 verbunden sind. Wenn nur eines der drei vorgenannten Module 32,36,38 ein Fehler-Signal an den betreffenden Fehlermeldungs-Eingang der Relais-Steuerung 28 sendet, schaltet die Relais-Steuerung 28 das Bremsrelais 42 in den Fehler- bzw. Bremszustand, der in den Figuren 10 dargestellt ist. Das Bremsrelais 42 ist ein rein mechanisches Relais.

Auch das Magnetlagersteuerungs-Modul 34 und das Netzteil-Modul 30 können optional über eine entsprechende Signalleitung mit einem Fehlermeldungs- Eingang der Relais-Steuerung 28 verbunden sein.

Der Pumpenrotor 16 kann alternativ auch lediglich ein-, zwei-, drei- oder vierachsig aktiv magnetisch gelagert sein, während die übrigen Achsen passiv oder mechanisch gelagert sind.

Das Watchdog-Modul 38 wird durch das Rechner-Modul 36 in regelmäßigen Intervallen von typischerweise einigen Mikrosekunden bis Millisekunden benachrichtigt. Bleibt das vereinbarte Benachrichtigungs-Signal aus, gibt das Watchdog-Modul 38 ein Fehler-Signal an die Relais-Steuerung 28 aus.

Ebenso kann das Wechselrichter-Modul 32 und/oder das Rechner-Modul 36 direkt ein Fehler-Signal an die Relais-Steuerung 28 ausgeben, wenn die vorgenannten Module 32,36 intern oder extern Unregelmäßigkeiten feststellen, die ein sofortiges Abbremsen der Vakuumpumpe bzw. des Pumpenrotors 16 rechtfertigen.

Das Rechner-Modul 36 überwacht auch die Funktion des Magnetlagersteuerungs- Moduls 34 und des Netzteil-Moduls 30 entsprechend.

Im Falle einer Unterbrechung der elektrischen Verbindungsleitungen 40 zwischen der Pumpeneinheit 12 und der Steuereinheit 14 fällt das Bremsrelais 42 selbstständig in den Bremszustand bzw. in die Bremsstellung, so dass auch für diesen Fall die Motorspulen 19i,19 ₂ ,19 ₃ miteinander kurzgeschlossen werden.