Vakuum-Turbomolekularpumpe

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vakuum-Turbornolekularpumpe mit einem Gteichstrom-Antriebsmotor, der einen permanent-magnetischen Motorrotor und

Statorspulen aufweist,

Vakuum-Turbomolekularpumpen sind schnelidrehende Turbomaschinen mit maximalen Drehzahlen im Bereich von 20.000-100.000 Umdrehungen pro Minute bzw. maximalen Drehfrequenzen von 300 Hz bis 1,700 Hz, Als Antrieb für den Pumpenrotor werden wegen der günstigen VerSustieistungsbiianz häufig

bürstenlose Gieichstrom-Antriebsmotoren verwendet, die einen permanentmagnetisch erregten Motorrotor aufweisen.

Bei hohen Drehfrequenzen haben Rotorteile, die sich im Betrieb vom Rotor lösen, eine sehr hohe kinetische Energie. Vakuum-Turbomolekularpumpen, die naturgemäß mit hohen Drehfrequenzen drehen, bergen für den Fall eines Crashes ein hohes Verletzungsrisiko. Dieses kann nur durch eine entsprechende Panzerung des Pumpenstators vermindert werden, was mit einem hohen Aufwand verbunden ist. Insbesondere bei großen Turbomaschinen kann das Pumpengehäuse nicht beliebig eigensicher ausgelegt werden. Eine selten auftretende, aber überaus gefährliche Ursache für derartige Unfälle stellt eine Drehzahlerhöhung des Pumpenrotors über die IMenndrehzahi hinaus dar, da die Rotorflugel-Anbindung an die Rotornabe nur für die Nenndrehzahl zuzüglich einer relativ geringen Sicherheit ausgelegt ist. Es ist daher sehr wichtig, überdrehzahlen bzw. Uberdrehfrequenzen, d.h. Drehfrequenzen oberhalb der Nenn-Drehfrequenz zuverlässig zu vermeiden.

Wenn der Drehfrequenzregler in der Motorsteuerung versagt, besteht ein erhebliches Risiko einer sich über die Nenn-Drehfrequenz erhöhenden

Drehfrequenz.

Die gängigen Sicherheitsanforderungen verlangen daher eine zweite unabhängige Drehfrequenz-Kontrolleinrichtung, die einschließlich zusätzlicher Sensoren, einer zusätzlichen Zeitbasis etc. einen erheblichen Mehraufwand darstellt.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Vakuum- Turbomolekularpumpe zu schaffen, die mit wenig Aufwand und mit hoher Sicherheit vor Uberdrehzahlen geschützt ist.

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

Die erfindungsgemäße Vakuum-Turbomolekularpumpe weist eine Spannungsversorgung zur Versorgung der Motorsteuerung mit einer Versorgungsspannung U _v auf, die konstant ist und so niedrig eingestellt ist, dass bei einer Grenz-Drehfrequenz f _G die elektromotorische Kraft gleich der von der Motorsteuerung und den Statorspulen maximal erzeugbaren Antriebskraft ist, wobei die Grenz-Drehfrequenz f _G weniger als das 1,3-fache der Nenn- Drehfrequenz f _N ist.

Bei bürstenlosen Gleichstrommotoren mit permanent erregtem Rotor stellt sich eine maximale Drehfrequenz von selbst dadurch ein, dass die durch den Permanentmagneten des Rotors in den Statorspulen induzierte Spannung bzw. elektromotorische Kraft (EMK) bei Erreichen der maximalen Drehfrequenz so groß wird, dass die maximal zur Verfügung stehende Antriebskraft vollständig kompensiert wird. Die in den Statorspulen durch den Motorrotor induzierte Spannung ist proportional zur Drehzahl bzw. zur Drehfrequenz, Da die Motorξteuerung von einer Spannungsversorgung mit elektrischer Energie versorgt wird, und die Spannungsversorgung eine konstante Gleichspannung als Versorgungsspannung für die Motorsteuerung liefert, kann die Drehfrequenz über die maximale Drehfrequenz nicht hinaus wachsen.

Die von der Spannuπgsversorgung der Motorsteuerung zur Verfügung gestellte elektrische Energie ist genau so groß, dass sich bei der relativ niedrigen und sich an der Nenn -Drehfrequenz f _N orientierenden Grenz-Drehfrequenz f _G ein Gleichgewicht zwischen der elektromotorischen Kraft und der von der Motorsteuerung aufgrund der Leistungsbegrenzung maximal in den Statorspulen generierbaren Antriebskraft einstellt. Selbst wenn der eigentliche Drehfrequenzregier ausfallen sollte, kann der Antriebsmotor aus physikalischen Gründen nicht um mehr als um das 1,3-fache über die Nenn-Drehfrequenz f _N

hinaus beschleunigen. Die Grenz-Drehfrequenz f _G ist vorzugsweise kleiner als das

1,1-fache der Nenn-Drehfrequeπz f _N .

In der Praxis ist der Pumpenrotor einer schneildrehenden Vakuum- Turbomolekuiarpumpe so ausgelegt, dass er Drehfrequenz-Erhöhungen um 10-30% gegenüber der Nenn-Drehfrequenz verträgt, ohne zerstört zu werden, bzw. ohne dass die Rotorflügel derart gestreckt werden, dass sie mit dem Pumpenstator kollidieren. Durch das Begrenzen der der Motorsteuerung zur Verfügung stehenden elektrischen Energie wird der Antriebsmotor und damit der Purnpenrotor zuverlässig vor zu hohen überdrehzahlen geschützt. Ein zweites Drehzahl-Kontrollsystem kann daher entfallen.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Schutzvorrichtung auf:

einen EMK-Eingang, an dem die von dem Rotormagneten in den Statorspulen induzierte Spannung anliegt,

einen EMK-Grenzwertspescher, in dem frequenzabhängig EMK-Grenzwerte gespeichert sind,

ein EMK-Auswertemodul, das feststellt, ob der am EMK-Eingang gemessene Spannungswert den EMK-Grenzwert unterschreitet, und

ein Signalgeber, der ein Unterschreitungssignal ausgibt, wenn das EMK- Auswertemodul eine Unterschreitung feststellt.

Die durch die elektromotorische Kraft in den Statorspulen induzierte Spannung ist außer von der Drehzahl auch abhängig von der Magnetkraft des bzw. der Permanentmagneten des Motorrotors, Die Magnetkraft von Permanentmagneten nimmt jedoch mit zunehmendem Alter, und darüber hinaus beeinflusst durch Temperatur, ab. Die der von der Motorsteuerung über die Statorspulen erzeugten

Antriebskraft entgegenwirkende elektromotorische Kraft wird also, bezogen auf dieselbe Drehfrequenz, im Laufe der Zeit niedriger, so dass sich das Gleichgewicht nicht mehr bei der festgelegten Grenz-Drehfrequenz f _G einstellt, sondern bei einer darüber liegenden Drehfrequenz,

Dies wird dadurch vermieden, dass die von dem Motorrotor in den Statorspulen induzierte Spannung drehfrequenzbezogen überwacht wird. Verringert sich der Eigenmagnetismus des Motorrotors, verringert sich auch die induzierte Spannung. Dies wird gegebenenfalls mit Hilfe der genannten Merkmale festgestellt und ein entsprechendes Signal ausgegeben, das zur Korrektur und/oder zur Abschaltung des Antriebsmotors genutzt werden kann.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Schutzvorrichtung einen Versorgungsspannungs-Eingang auf und gibt ein Uberspannungs-Signal aus, wenn die an dem Eingang gemessene Versorgungsspannung einen gespeicherten Versorgungsspannungs-Grenzwert überschreitet. Auf diese Weise überwacht die Schutzvorrichtung die Spannungsversorgung, die für die passive Begrenzung der Drehfrequenz des Antriebsmotors verantwortlich ist. Wenn ein Ansteigen der von der Spannungsversorgung gelieferten Versorgungsspannung festgestellt wird, wird ein entsprechendes Uberspannungssignal ausgegeben, so dass vermieden wird, dass bei gleichzeitigem Ausfall des Drehfrequenzreglers die Drehfrequenz des Antriebsmotors über die Grenz-Drehfrequenz hinaus ansteigen kann.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Signalgeber mit einem Abschaltelement verbunden, das bei Eingang eines Unterschreitungs-Signales oder Uberspannungs-Signales den Antriebsmotor abschaltet. Im Falle einer Störung wird nicht versucht, diese zunächst durch entsprechendes Regeln zu korrigieren, sondern wird über das Abschaltelement der Antriebsmotor sofort abgeschaltet, um jedes Risiko, das mit einer Fortsetzung des Betriebes verbunden wäre, auszuschließen.

Vorzugsweise ist der Signalgeber mit der Spannungsversorgung verbunden, so dass die Spannungsversorgung bei Eingang eines Unterschreitungs- oder überspannungs-Signaies die Versorgungsspannung entsprechend reduziert. Hierdurch kann insbesondere der Effekt, der durch einen schwächer werdenden Rotorrnagneten eintritt, kompensiert werden. Da bei schwächer werdendem Rotormagneten und konstanter Versorgungsspannung die physikalisch erreichbare Drehfrequenz erhöht ist, kann durch eine entsprechende Reduzierung der Versorgungsspannung die physikalisch erreichbare Drehfrequenz wieder auf die Grenz-Drehfrequenz f _G reduziert werden.

Gemäß einem nebengeordneten Verfahrensanspruch zum Schützen einer Vakuum-Turbomolekularpumpe vor überdrehzahl, wobei die

Turbomolekularpumpe die Merkmaie des Anspruches 1 aufweist, sind folgende Verfahrensschritte vorgesehen:

Messen der von dem Rotormagneten in der Statorspule induzierten Spannung,

Vergleichen der gemessenen Spannung mit einem hinterlegten EMK- Grenzwert, und

Ausgeben eines Unterschreitungs-Signales, wenn die gemessene Spannung den EMK-Grenzwert unterschreitet

Mit diesem Verfahren wird die Magnetkraft des Motorrotor-Permanentrnagπeten ständig überwacht. Wird die Magnetkraft des Permanentmagneten im Laufe der Zeit schwächer, was gleichzeitig eine Erhöhung der physikalisch erreichbaren Drehfrequenz zur Folge hat, wird ein entsprechendes Unterschreitungs-Signal ausgegeben, so dass entsprechende Maßnahmen ergriffen werden können.

Alternativ oder ergänzend kann ein Uberspannungs-Signal ausgegeben werden, wenn die Versorgungsspannung Uv einen gespeicherten Versorgungsspannungs- Grenzwert überschreitet. Hierdurch wird sichergestellt, dass sich die physikalisch erreichbare Drehfrequenz nicht unbemerkt erhöhen kann.

Vorzugsweise wird der Antriebsmotor abgeschaltet, wenn ein überspannungsoder ein Unterschreitungs-Signal ausgegeben wird. Hierdurch wird mit hoher Sicherheit vermieden, dass die Grenz-Drehfrequenz f _G überschritten wird.

Alternativ oder Ergänzend kann die Versorgungsspannung bei Eingang eines Uberspannungs-Signaies und/oder bei Eingang eines Unterschreitungs-Signales entsprechend reduziert werden. Hierdurch wird die physikalisch erreichbare Drehfrequenz gegebenenfalls wieder auf die Grenz-Drehfrequenz f _G reduziert.

Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Die Figur zeigt eine Vakuum-Turbomolekularpumpe in schernatischer

Darstellung.

In der Figur ist eine schnelldrehende Vakuum-Turbomolekularpumpe 10 dargestellt, die im wesentlichen aus einer Pumpeneiπheit 12 und einer Steuerungseinheit 14 besteht. Die Turbornoiekularpumpe dient der Erzeugung eines Hochvakuums. Derartige Turbomoiekularpumpen laufen mit Nenn- Drehfrequenzen f _N von 300-1.600 Hz. Die Pumpeneinheit 12 weist einen Pumpenrotor 13 und einen Antriebsmotor 16 auf.

Die Steuerungseinheit 14 weist als wesentliche Elemente eine Spannungsversorgung 20, eine Motorsteuerung 22, ein Abschaltmodul 24 sowie eine Schutzvorrichtung 26 auf. Die Steuerungseinheit 14 dient der Steuerung und Kontrolle des Antriebsmotors 16,

Wegen der hohen Nenn-Drehfrequenz von Vakuum-Turbomolekularpurnpen darf die Nenn-Drehfrequenz f _Nf für die die Festigkeit des Pumpenrotors ausgelegt ist, nicht wesentlich überschritten werden. Andernfalls erhöhen sich die Fliehkräfte derart, dass der Pumpenrotor 13, und konkret die Rotorflügel, hierdurch zerstört und zu gefährlichen Geschossen werden können. Da das Gehäuse der Pumpeneinheit 12 nicht beliebig fest und eigensicher ausgelegt werden kann, sind zuverlässige und redundante Kontra!!- und Sicherheitseinrichtungen erforderlich, die eine namhafte überschreitung der iMenπ-Drehfrequenz f _N verhindern.

Wegen ihrer gunstigen Verlustleistungsbilanz ist der Antriebsmotor 16 ein elektronisch kommutterter bürstenloser Gleichstrommotor. Der Antriebsmotor 16 weist demnach statorsestig Statorspulen auf, während der Motorrotor durch mindestens einen Permanentmagneten permanent-magnetisch ausgebildet ist. Nachteilig an diesem Typ Antriebsmotor ist jedoch, dass dieser bei Störungen oder Ausfall der Drehzahlregelung prinzipbedingt weit über die Nenn- Drehfrequenz f _N hinaus beschleunigt werden kann, wenn die Spannungsversorgung hierfür genügend elektrische Energie zur Verfügung stellt.

Die Motorsteuerung 22 weist einen Umrichter 30 und einen Drehfrequenzregler 32 auf, der die Ist-Frequenz fi über eine Signalleitung 34 von dem Antriebsmotor 16 empfängt, mit einer Soll-Drehfrequenz f _s vergleicht und ein entsprechend der Differenz hieraus gebildetes Steuersignal wieder an den Umrichter 30 ausgibt. Der Umrichter 30 erzeugt aus der durch die Spannungsversorgung 20 bereitgestellten gleichgerichteten elektrischen Energie entsprechende Ströme für die Statorspulen des Antriebsmotors 16. Bei störungsfreiem Normalbetrieb wird der Antriebsmotor 16 aüeine durch die Motorsteuerung 22 auf die Nenn- Drehfrequenz f _N hochgefahren und bei konstanter Nenn-Drehfrequenz f _N betrieben.

Eine besondere Eigenschaft eines Gleichstrom-Antriebsmotors mit Statorspulen und permanent erregtem Motorrotor ist die Induzierung elektrischer Spannungen in die Statorspulen durch den rotierenden permanent erregten Motorrotor. Die hierbei entstehende Kraft, die der Antriebskraft des Antriebsmotors 16 entgegenwirkt, wird a!s elektromotorische Kraft bezeichnet. Es kann nur dann ein Drehmoment zur Beschleunigung des Motorrotors erzeugt werden, wenn die von der Spannungsversorgung 20 zur Verfügung gestellte Urspannung, die der Motorsteueruπg 22 zur Bestromung der Statorspulen zur Verfügung steht, größer ist als die entgegengerichtete durch den Motorrotor induzierte Spannung, bzw, die Antriebskraft größer ist als die entgegengerichtete elektromotorische Kraft.

Die Spannungsversorgung 20 stellt eine konstante Versorgungsspannung U _v zur Verfügung. Die Versorgungsspannung U _v wird so eingestellt, dass sie so niedrig ist, dass bei einer Grenz-Drehfrequenz f _G die von der Motorsteuerung 22 bzw, dem Umrichter 30 und den Statorspulen des Antriebsmotors 16 maximal erzeugbare Antriebskraft gleich der elektromotorischen Kraft ist Die Grenz- Drehfrequenz f _G wird so gewählt, dass sie etwas größer als die Nenn- Drehfrequenz f« ist. Die Grenz-Drehfrequenz f _G sollte kleiner als das 1,3-fache der Nenn-Drehfrequenz f _N sein und beträgt vorliegend ungefähr das 1,05-fache der Nenn-Drehfrequenz fu„

Selbst bei Ausfall des Drehzahlreglers und hierdurch bedingter maximaler Bestromung der Statorspulen, kann der Antriebsmotor 16 den Pumpenrotor 13 nicht über die Grenz-Drehfrequenz f _G hinaus beschleunigen, da bei der Grenz- Drehfrequenz fβ und höheren Drehfrequenzen die elektromotorische Kraft gleich bzw. größer als die von den Statorspulen mit der zur Verfügung stehenden elektrischen Energie erzeugbare Antriebskraft ist. Durch die gezielte Begrenzung der von der Spannungsversorgung 20 zur Verfügung gestellten Versorgungsspannung wird gewissermaßen eine Leistungsbegrenzung eingeführt, die die maximal erzielbare Drehfrequenz f physikalisch begrenzt.

Die durch den permanent erregten Motorrotor in den Statorspulen bei Rotation generierte Spannung bzw. die hierbei erzeugte elektromotorische Kraft ist direkt proportional von der Magnetkraft des Rotormagneten bzw. der Rotormagneten in dem Motorrotor abhängig. Mit der Zeit und negativ beeinflusst durch hohe Temperaturen nimmt die Magnetkraft von Permanentmagneten ab. Hierdurch verringert sich im Laufe der Zeit auch die durch den Permanentmagneten bzw. die Permanentmagnete des Motorrotors in den Statorspulen induzierte Spannung und die hierbei erzeugte elektromotorische Kraft, und zwar immer bezogen auf dieselbe Drehfrequenz. Dies hat zur Folge, dass die Drehfrequenz, bei der die elektromotorische Kraft und die von der Motorsteuerung 22 zur Verfügung gestellte elektrische Energie zur Bestromung der Statorspulen im Gleichgewicht stehen, im Laufe der Zeit ansteigt. Dies bedeutet eine neue Gefahr und ist daher unerwünscht.

Aus diesem Grund weist die Steuerungseinheit 14 eine Schutzvorrichtung 26 auf, die den Eπtmagnetisierungsvorgang in dem permanent-magnetischen Motorrotor überwacht. Die Schutzvorrichtung 26 weist einen EMK-Eingang 40 und einen Drehfrequenz-Eingang 42 auf. Beide Eingänge 40,42 munden in ein EMK- Auswertemodul 44, dem ferner ein EMK-Grenzwertspeicher 46 und ein Signalgeber 48 zugeordnet sind. An dem EMK-Eingang 40 liegt die von dem permanent erregten Motorrotor in den Statorspulen induzierte Spannung an. An dem Drehfrequenz-Eingang 42 wird dasselbe Signal bezüglich der Drehfrequenz f des Antriebsmotors 16 ausgewertet. Beide Signale werden in dem EMK- Auswertemodu! 44 mit den in dem EMK-Grenzwertspeicher 46 gespeicherten EMK-Grenzwerten drehfrequenzabhängig verglichen. Ist die bei einer bestimmten Drehfrequenz f an dem EMK-Eingang 40 anliegende Spannung geringer als der für dieselbe Drehfrequenz in dem EMK-Grenzwertspeicher gespeicherte Spannungswert, gibt die Schutzvorrichtung 26 über einen Signalgeber 48 ein Unterschreitungs-Signal aus, das seinerseits das Abschaltmodul 24 veranlasst, einen Schalter zu öffnen, so dass die Statorspulen mit der Motorsteuerung 22

nicht mehr elektrisch verbunden sind und der Aπtriebsmotor 16 auf diese Weise abgeschaltet wird.

Die Schutzvorrichtung 26 weist ein weiteres Kontrollelement auf, nämlich ein Spannuπgsuberwachungsmodu! SO. In dem Spannungsuberwachungsmodul 50 wird die von der Spannungsversorgung 20 an ihrem Ausgang der Motorsteuerung 22 zur Verfugung gestellte Versorgungsspannung U _v überwacht und gegebenenfalls über eine Versorgungsspannungs-Steuerleitung 54 reduziert. Das Uberwachungsmodul 50 greift ein, wenn die Spannungsversorgung 20 eine höhere Versorgungsspannung liefert, als in dem überwachungsmodul 50 hinterlegt ist. Ist die Korrektur der Versorgungsspannung U _v über die Steuerleitung 54 erfolglos, gibt die Schutzvorrichtung 26 ein Uberspannungs- Signal über den Signalgeber 48 aus, das wiederum die Abschaltung des Abschaltmodules 24 veranlasst. Das von dem Signalgeber 48 ausgegebene Signal kann also ein von dem Uberwachungsmodul 50 kommendes Versorgungsspannungs-Uberspannungs-Signal oder aber ein von dem EMK- Auswertemodu! 44 kommendes EMK-Unterschreitungs-Signal sein.

Zur überwachung der Hardware der Schutzvorrichtung 26 und ihrer Basϊsfunkcioneπ dient ein Watchdog-Modul 60, das eine eigene Zeitbasis besitzt und bei Fehlfunktionen ein Abschaltsignal an das Abschaltmodu! 24 sendet, das seinerseits den Antriebsmotor 16 abschaltet,