真空渦輪分子泵的製作方法

2023-07-04 23:34:21 2

專利名稱：真空渦輪分子泵的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種真空渦輪分子泵，其具有直流驅動電機，該電機具 有永磁電機轉子和定子線圏。
背景技術：
真空渦輪分子泵是最大轉速在每分鐘20,000至100,000轉或最大旋 轉頻率在300 Hz至1700 Hz範圍內的高速旋轉的渦輪機。由於包括7^C 磁電機轉子的無電刷直流驅動電機具有有利的損耗功率平衡，所以通常 將其用作泵轉子的驅動裝置。在高旋轉頻率情況下，在工作中與轉子脫離的轉子部件具有非常大 的動能。在碰撞的情況下，本來就以高旋轉頻率旋轉的真空渦輪分子泵 具有很高的傷害人員的危險性。只有通過泵定子相應地加裝護板才能降 低這種危險性，但這需要相當高的費用。特別在大型渦輪機的情況下， 泵外殼不能任意地設計原有安全度。對於這種意外來說很少出現但非常 危險的原因是泵轉子的轉速增大到超過額定轉速，因為轉子葉片與轉子 輪轂的連接強度僅設計用於額定轉速加上相當低的安全係數。因此非常 重要的是可靠避免超速或超過旋轉頻率一一即旋轉頻率高於額定旋轉 頻率。如果電機控制裝置中的旋轉頻率調節器失靈，那麼存在旋轉頻率升 高超出額定旋轉頻率的巨大危險。因此現行的安全要求需要獨立的第二旋轉頻率控制裝置，其連同附 加的傳感器、附加的時基電路等極大地增加了額外的費用。發明內容因此本發明的目的在於，提供一種真空渦輪分子泵，其能以較少的 花費特別安全地防止超速。依據本發明，上述目的通過權利要求1所述的特徵實現。 依據本發明的真空渦輪分子泵具有用於向電機控制裝置供給供電電壓Uv的電源，該供電電壓恆定並這樣低地調整，從而在極限旋轉頻 率fc時電動力等於由電機控制裝置和定子線圏可產生的最大驅動力，其中極限旋轉頻率f(i小於額定旋轉頻率fN的1.3倍。在具有永磁轉子的無電刷直流電機情況下，最大的旋轉頻率自動地 產生，因為在由轉子的永久磁鐵在定子線圏內產生的感應電壓或電動力(EMK， elektromotorische Kraft)變得足夠大，使得最大驅動力完全得 到補償時達到最大旋轉頻率。由電機轉子在定子線圏內產生的感應電壓 與轉速或旋轉頻率成比例。因為電機控制裝置由電源供給電能，而且該 電源提供恆定的直流電壓作為電機控制裝置的供電電壓，所以旋轉頻率 不會增大超出最大旋轉頻率。由電源供給電機控制裝置的電能僅這樣大小，使得極限旋轉頻率fG 相當低並符合額定旋轉頻率fk時，在電動力與由電機控制裝置根據功率 限制在定子線團內可產生的最大驅動力之間出現平衡。即使在本身的旋 轉頻率調節器失靈的情況下，驅動電機出於物理原因也不會加速到額定旋轉頻率&的1.3倍以上。極限旋轉頻率fc最好小於額定旋轉頻率fN的1.1倍。實踐中高速旋轉真空渦輪分子泵的泵轉子這樣設計，使得其旋轉頻率相對於額定旋轉頻率提高了 10-30%時不會損壞或轉子葉片不會伸長 而與泵定子相撞。通過限制供給電機控制裝置的電能，可以可靠地保護 驅動電機不會超速並因此保護泵轉子不會超速。因此可以取消第二轉速 控制系統。依據一種優選的實施方式，保護裝置具有EMK輸入端，其上施 加有由電機轉子在定子線圏內產生的感應電壓；EMK極限值存儲器， 其中儲存有取決於旋轉頻率的EMK極限值；EMK計值模塊，其確定 在EMK輸入端上測量的電壓是否低於EMK極限值；以及信號發送器， 其在EMK計值模塊確定過低的情況下發出過低信號。通過電動力在定子線圏內感應的電壓除了取決於轉速外，還取決於電機轉子的單個或多個永久磁鐵的磁力。然而，永久磁鐵的磁力隨著使 用時間的增長而下降並還受溫度的影響。與由電機控制裝置通過定子線 圏產生的驅動力反作用的電動力因此與同樣的旋轉頻率相關，隨著時間 的增長而減小，從而平衡不再是出現在確定的極限旋轉頻率fc時，而是 出現在高於極限旋轉頻率fc的旋轉頻率時。這一點以如下方式避免，即與旋轉頻率相關地監測由電機轉子在定 子線團內產生的感應電壓。如果電機轉子的固有磁性降低，那麼感應電 壓也同樣降低。這在需要時利用上述特徵確定並發出可以用於校正和/ 或斷開驅動電機的相應信號。依據一種優選的實施方式，保護裝置具有供電電壓的輸入端並在輸 入端上所測量的供電電壓超過所儲存的供電電壓極限值的情況下發出 過壓信號。按照這種方式，保護裝置監測負責被動限制驅動電機旋轉頻 率的電源。如果確定電源提供的供電電壓上升，那麼發出相應的過壓信 號，從而避免在旋轉頻率調節器同時失靈的情況下，驅動電機的旋轉頻 率上升超過極限旋轉頻率。依據一種優選的實施方式，信號發送器與斷開模塊連接，斷開模塊 在輸入過低信號或者過壓信號的情況下斷開驅動電機。在幹擾情況下， 不是嘗試首先通過相應的調節校正該幹擾，而是通過斷開模塊立即斷開 驅動電機，以消除繼續運行可能帶來的任何危險。信號發送器最好與電源連接，從而電源在輸入過低信號或者過壓信 號時相應地降低供電電壓。由此特別地可以補償由於轉子磁鐵變弱出現 的效應。因為轉子磁鐵變弱和供電電壓不變時物理上可達到的旋轉頻率 的提高，所以通過相應地降低供電電壓可以將物理上可達到的旋轉頻率重新降到極限旋轉頻率fc。依據一種用於保護真空渦輪分子泵不會超速的方法的另一個獨立 的方法權利要求，其中該真空渦輪分子泵具有權利要求l特徵，所述方法包括以下步驟測量由電機轉子在定子線團內產生的感應電壓；將所 測量的電壓與存儲的EMK極限值進行比較；以及在所測量的電壓低於 EMK極限值的情況下發出過低信號。利用這種方法始終監測電機轉子永久磁鐵的磁力。如果永久磁鐵的 磁力隨著時間的增長而變弱，這同時導致物理上可達到的旋轉頻率提 高，那麼發出相應的過低信號，從而可以採取相應措施。可替代地或者補充，在供電電壓Uy超過所儲存的供電電壓極限值 的情況下可以發出過壓信號。由此確保物理上可達到的旋轉頻率增大不 會被忽視。在發出過壓或者過低信號的情況下最好斷開驅動電機。由此以高度 安全性地避免超過極限旋轉頻率fc。可替代地或者補充，供電電壓可以在輸入過壓信號和/或在輸入過低 信號的情況下相應降低。由此在需要時將物理上可達到的旋轉頻率也降 到極限旋轉頻率fG。


下面藉助附圖對本發明的實施例進行詳細說明。其中 附圖示出真空渦輪分子泵的示意圖。
具體實施方式
附圖示出高速旋轉的真空渦輪分子泵10，其基本上包括泵單元12 和控制單元14。渦輪分子泵用於產生高真空。這種渦輪分子泵以300 至1600 Hz的額定旋轉頻率&運行。泵單元12具有泵轉子13和驅動電 機16。控制單元14包括如下主要部件電源20、電機控制裝置22、斷開 模塊24以及保護裝置26。控制單元14用於控制和監測驅動電機16。由於真空渦輪分子泵具有高額定旋轉頻率，所以不應明顯地超過為 泵轉子的強度設計的額定旋轉頻率fw。否則離心力會極大提高，使得泵 轉子13，確切地說是轉子葉片受到破壞並可能導致危險的飛出。因為泵 單元12的外殼不能設計成任意穩定性和原有的安全度，所以需要可靠 和冗餘監測和安全裝置，防止顯著地超過額定旋轉頻率fN。由於有利的損耗功率平衡，驅動電機16是一種無電刷的電整流的直流電機。因此驅動電機16在定子側具有定子線圏，而電機轉子通過 至少一個永久磁鐵永磁構成。但這種類型的驅動電機的缺點是，在受到 幹擾或者轉速調節失靈時，該驅動電機由於結構原理可能被加速遠遠超出額定旋轉頻率fN，如果電源為此能夠提供足夠的電能。電機控制裝置22具有變頻器30和旋轉頻率調節器32，其通過信號 線34從驅動電機16接收的實際頻率fP將實際頻率ft與額定旋轉頻率 fs進行比較，並將相應於差值形成的控制信號再發送給變頻器30。變頻 器30從通過電源20提供的整流電能中產生用於驅動電機16的定子線 團的相應電流。在無幹擾的正常工作時，驅動電機16僅通過電機控制 裝置22加速到額定旋轉頻率fk並在恆定的額定旋轉頻率fk下工作。具有定子線圏和永磁電機轉子的直流驅動電機一種特殊的特徵是， 旋轉的永磁電機轉子在定子線圏內產生感應電壓。在這種情況下出現的 與驅動電機16的驅動力反作用的力稱為電動力。只有由電源20提供的 並由電機控制裝置22提供給定子線圏的原電壓大於由電機轉子產生的 反向感應電壓，即驅動力大於反向的電動力時，才能產生用加速電機轉 子的轉矩。電源20提供恆定的供電電壓Uv。供電電壓Uy這樣低地調整，使 得在極限旋轉頻率&時，由電機控制裝置22或變頻器30和驅動電機 16的定子線團產生的最大驅動力等於電動力。極限旋轉頻率fc選擇為 使得其略大於額定旋轉頻率fN。極限旋轉頻率fc應小於額定旋轉頻率 fw的1.3倍並最好約為額定旋轉頻率fN的1.05倍。即使在轉速調節器失靈並由此造成定子線團最大電流供應的情況 下，驅動電機16也不會使泵轉子13加速而超出極P艮旋轉頻率fc，因為 在該極限旋轉頻率f(i和更高的旋轉頻率時，電動力等於或大於由定子線 圏利用所提供的電能產生的驅動力。通過有目的地限制由電源20提供 的供電電壓，在一定程度上進行在物理上限制可取得的最大旋轉頻率f 的功率限制。由旋轉的永磁電機轉子在定子線團內產生的電壓或在這種情況下 產生的電動力直接與電機轉子內的單個或多個轉子磁鐵的磁力成比例。 隨著時間過去和高溫的不利影響，永久磁鐵的磁力下降。由此隨著時間的流逝，由驅動電機的單個或多個永久磁鐵在定子線圏內產生感應電壓 和在這種情況下產生的電動力也在下降，而且始終關於相同的旋轉頻率。這樣的後果是，電動力和由電機控制裝置22提供用於供給定子線 圏的電能處於平衡時的旋轉頻率隨著時間上升。這意味著新的危險並因 此是不希望有的。為此，控制單元14具有保護裝置26，其監測永磁電機轉子中的退 磁過程。保護裝置26具有EMK輸入端40和旋轉頻率輸入端42。兩個 輸入端40、 42通入EMK計值模塊44內，此外為EMK計值模塊44 分配EMK極限值存儲器46和信號發送器48。由永磁電機轉子在定子 線團內產生的感應電壓施加在EMK輸入端40上。在旋轉頻率輸入端 42上，計值與驅動電機16的旋轉頻率f相關的同一信號。兩個信號在 EMK計值模塊44內與儲存在EMK極限值存儲器46內的取決於旋轉 頻率的EMK極限值進行比較。如果在確定的旋轉頻率f時EMK輸入 端40上施加的電壓小於用於同一旋轉頻率f的儲存在EMK極限值存儲 器內的電壓值，那麼保護裝置26通過信號發送器48發出過低信號，該 信號本身促使斷開模塊24斷開開關，從而定子線團與電機控制裝置22 不再電連接並以這種方式斷開驅動電機16。保護裝置26具有其他控制件，即電壓監測模塊50。在電壓監測模 塊50中，監測由電源20的輸出端提供給電機控制裝置22的供電電壓 Uv並在需要時通過供電電壓控制線54降低。在電源20提供的供電電 壓高於監測模塊50內所存儲的電壓情況下，監測模塊50進行幹涉。如 果供電電壓Uv通過控制線54的校正無效，那麼保護裝置26通過信號 發送器48發出過壓信號，促使斷開模塊24的斷開。因此由信號發送器 48發出的信號可以是來自監測模塊50的供電電壓過壓信號或者是來自 EMK計值模塊44的EMK過低信號。監視器模塊60用於監測保護裝置26的硬體及其基本功能，其中所述 監視器模塊具有特有的時基並在功能故障的情況下向斷開模塊24發出斷 開信號，該斷開模塊又斷開驅動電機16。
權利要求
1.一種真空渦輪分子泵(10)，包括無電刷的直流驅動電機(16)，其具有定子線圈和永磁電機轉子，其中所述電機轉子產生與旋轉方向相反的電動力；與所述定子線圈連接的電機控制裝置(22)，其從供電電壓(Uv)產生引入所述定子線圈的電流；旋轉頻率調節器(32)，其將所述驅動電機(16)的旋轉頻率(f)限制於額定旋轉頻率(fN)；以及與所述電機控制裝置(22)連接的電源(20)，其提供恆定的直流電壓作為所述電機控制裝置(22)的供電電壓(Uv)，其特徵在於，所述電源(20)設計成使得恆定的供電電壓(Uv)這樣低地選擇，從而在極限旋轉頻率(fG)時電動力等於由所述電機控制裝置(22)和定子線圈可產生的最大驅動力，其中所述極限旋轉頻率(fG)小於額定旋轉頻率(fN)的1.3倍。
2.如權利要求1所述的真空渦輪分子泵(10)，其特徵在於，設有 保護裝置(26)，其包括EMK輸入端(40)，由所述電機轉子在定子線團內產生的感應電壓 施加在所述EMK輸入端；EMK極限值存儲器(46)，其中儲存有取決於旋轉頻率的EMK極 限值；EMK計值模塊(44)，其確定在所述EMK輸入端(40)上測量的 電壓是否低於EMK極限值；以及信號發送器(48)，其在EMK計值模塊(44)確定過低的情況下 發出過低信號。
3.如權利要求1或2所述的真空渦輪分子泵(10)，其特徵在於, 極限旋轉頻率(fG)小於額定旋轉頻率(fN)的1.1倍。
4.如權利要求1至3中任一項所述的真空渦輪分子泵(10 )，其特 徵在於，所述保護裝置(26)具有供電電壓輸入端(52),並且在高於 所儲存的供電電壓極限值的情況下信號發送器(48)發出過壓信號。
5.如權利要求1至4中任一項所述的真空渦輪分子泵(10)，其特 徵在於，所述信號發送器(48)與斷開模塊(24)連接，所述斷開模塊 在輸入過低信號或者過壓信號的情況下斷開所述驅動電機(16)。
6.如權利要求2至5中任一項所述的真空渦輪分子泵(10)，其特 徵在於，所述保護裝置(26)與所述電源(20)連接，因而所述保護裝 置(26)在出現過低或者過壓信號的情況下使得所述電源(20)降低供 電電壓(Uv)。
7. —種用於保護真空渦輪分子泵(10)不會超速的方法，其中所述 渦輪分子泵(10)包括無電刷的直流驅動電機(16)，其具有定子線團和永磁電機轉子， 其中所述電機轉子產生與旋轉方向相反的電動力；與所述定子線團連接的電機控制裝置(22)，其從供電電壓(Uv) 產生引入所述定子線圏的電流；旋轉頻率調節器(32)，其將所述驅動電機(16)的旋轉頻率(f) 限制於額定旋轉頻率(fN);以及與所述電機控制裝置(22)連接的電源(20),其提供恆定的直流 電壓作為所述電機控制裝置(22)的供電電壓(Uv)，其中，所述電源(20)設計成使得恆定的供電電壓(Uv)這樣低地 選擇，從而在極限旋轉頻率(fG )時電動力等於由所述電機控制裝置(22 ) 和定子線圏可產生的最大驅動力，其中所述極限旋轉頻率(fG)小於額 定旋轉頻率(fN)的1.3倍，所述方法包括以下步驟測量由所述電機轉子在定子線團內產生的感應電壓；將所測量的電壓與存儲的EMK極限值進行比較； 在所測量的電壓低於EMK極限值的情況下發出過低信號。
8. 如權利要求7所述的用於保護真空渦輪分子泵(10 )不會超速的 方法，其特徵在於，在所述供電電壓(Uv)超過所儲存的供電電壓極限 值的情況下發出過壓信號。
9. 如權利要求7或8所述的用於保護真空渦輪分子泵(10 )不會超 速的方法，其特徵在於，在發出過壓信號或者過低信號的情況下斷開所 述驅動電機(16)。
10. 如權利要求8所述的用於保護真空渦輪分子泵(10 )不會超速 的方法，其特徵在於如下方法步驟在輸入過壓信號的情況下降低供電 電壓(Uv)。
全文摘要
本發明涉及一種真空渦輪分子泵(10)，其通過具有定子線圈和永磁電機轉子的無電刷驅動電機(16)驅動。電機轉子在旋轉時產生與旋轉方向相反的電動力。設有與定子線圈連接的電機控制裝置(22)，其從供電電壓產生引入定子線圈的電流。此外設有旋轉頻率調節器(32)，其將驅動電機(16)的旋轉頻率(f)限制於額定旋轉頻率(fN)。設有電源(20)，其與電機控制裝置(22)連接並提供恆定的直流電壓作為電機控制裝置(22)的供電電壓。電源(20)設計成使得恆定的供電電壓(UV)這樣低地選擇，從而在極限旋轉頻率(fG)時電動力等於由電機控制裝置(22)和定子線圈可產生的最大驅動力，其中極限旋轉頻率(fG)小於額定旋轉頻率(fN)的1.3倍。由此電機功率受到限制並將驅動電機(16)的旋轉頻率在物理上可靠地限制於極限旋轉頻率(fG)。
文檔編號H02P6/18GK101253331SQ200680031557
公開日2008年8月27日 申請日期2006年8月17日 優先權日2005年9月1日
發明者克裡斯蒂安·哈裡希, 阿洛伊斯·格雷文 申請人:厄利孔萊博爾德真空技術有限責任公司