专利名称：真空涡轮分子泵的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种真空涡轮分子泵，其具有直流驱动电机，该电机具 有永磁电机转子和定子线圏。
背景技术：
真空涡轮分子泵是最大转速在每分钟20,000至100,000转或最大旋 转频率在300 Hz至1700 Hz范围内的高速旋转的涡轮机。由于包括7^C 磁电机转子的无电刷直流驱动电机具有有利的损耗功率平衡，所以通常 将其用作泵转子的驱动装置。在高旋转频率情况下，在工作中与转子脱离的转子部件具有非常大 的动能。在碰撞的情况下，本来就以高旋转频率旋转的真空涡轮分子泵 具有很高的伤害人员的危险性。只有通过泵定子相应地加装护板才能降 低这种危险性，但这需要相当高的费用。特别在大型涡轮机的情况下， 泵外壳不能任意地设计原有安全度。对于这种意外来说很少出现但非常 危险的原因是泵转子的转速增大到超过额定转速，因为转子叶片与转子 轮毂的连接强度仅设计用于额定转速加上相当低的安全系数。因此非常 重要的是可靠避免超速或超过旋转频率一一即旋转频率高于额定旋转 频率。如果电机控制装置中的旋转频率调节器失灵，那么存在旋转频率升 高超出额定旋转频率的巨大危险。因此现行的安全要求需要独立的第二旋转频率控制装置，其连同附 加的传感器、附加的时基电路等极大地增加了额外的费用。发明内容因此本发明的目的在于，提供一种真空涡轮分子泵，其能以较少的 花费特别安全地防止超速。依据本发明，上述目的通过权利要求1所述的特征实现。 依据本发明的真空涡轮分子泵具有用于向电机控制装置供给供电电压Uv的电源，该供电电压恒定并这样低地调整，从而在极限旋转频 率fc时电动力等于由电机控制装置和定子线圏可产生的最大驱动力，其中极限旋转频率f(i小于额定旋转频率fN的1.3倍。在具有永磁转子的无电刷直流电机情况下，最大的旋转频率自动地 产生，因为在由转子的永久磁铁在定子线圏内产生的感应电压或电动力(EMK， elektromotorische Kraft)变得足够大，使得最大驱动力完全得 到补偿时达到最大旋转频率。由电机转子在定子线圏内产生的感应电压 与转速或旋转频率成比例。因为电机控制装置由电源供给电能，而且该 电源提供恒定的直流电压作为电机控制装置的供电电压，所以旋转频率 不会增大超出最大旋转频率。由电源供给电机控制装置的电能仅这样大小，使得极限旋转频率fG 相当低并符合额定旋转频率fk时，在电动力与由电机控制装置根据功率 限制在定子线團内可产生的最大驱动力之间出现平衡。即使在本身的旋 转频率调节器失灵的情况下，驱动电机出于物理原因也不会加速到额定旋转频率&的1.3倍以上。极限旋转频率fc最好小于额定旋转频率fN的1.1倍。实践中高速旋转真空涡轮分子泵的泵转子这样设计，使得其旋转频率相对于额定旋转频率提高了 10-30%时不会损坏或转子叶片不会伸长 而与泵定子相撞。通过限制供给电机控制装置的电能，可以可靠地保护 驱动电机不会超速并因此保护泵转子不会超速。因此可以取消第二转速 控制系统。依据一种优选的实施方式，保护装置具有EMK输入端，其上施 加有由电机转子在定子线圏内产生的感应电压；EMK极限值存储器， 其中储存有取决于旋转频率的EMK极限值；EMK计值模块，其确定 在EMK输入端上测量的电压是否低于EMK极限值；以及信号发送器， 其在EMK计值模块确定过低的情况下发出过低信号。通过电动力在定子线圏内感应的电压除了取决于转速外，还取决于电机转子的单个或多个永久磁铁的磁力。然而，永久磁铁的磁力随着使 用时间的增长而下降并还受温度的影响。与由电机控制装置通过定子线 圏产生的驱动力反作用的电动力因此与同样的旋转频率相关，随着时间 的增长而减小，从而平衡不再是出现在确定的极限旋转频率fc时，而是 出现在高于极限旋转频率fc的旋转频率时。这一点以如下方式避免，即与旋转频率相关地监测由电机转子在定 子线團内产生的感应电压。如果电机转子的固有磁性降低，那么感应电 压也同样降低。这在需要时利用上述特征确定并发出可以用于校正和/ 或断开驱动电机的相应信号。依据一种优选的实施方式，保护装置具有供电电压的输入端并在输 入端上所测量的供电电压超过所储存的供电电压极限值的情况下发出 过压信号。按照这种方式，保护装置监测负责被动限制驱动电机旋转频 率的电源。如果确定电源提供的供电电压上升，那么发出相应的过压信 号，从而避免在旋转频率调节器同时失灵的情况下，驱动电机的旋转频 率上升超过极限旋转频率。依据一种优选的实施方式，信号发送器与断开模块连接，断开模块 在输入过低信号或者过压信号的情况下断开驱动电机。在干扰情况下， 不是尝试首先通过相应的调节校正该干扰，而是通过断开模块立即断开 驱动电机，以消除继续运行可能带来的任何危险。信号发送器最好与电源连接，从而电源在输入过低信号或者过压信 号时相应地降低供电电压。由此特别地可以补偿由于转子磁铁变弱出现 的效应。因为转子磁铁变弱和供电电压不变时物理上可达到的旋转频率 的提高，所以通过相应地降低供电电压可以将物理上可达到的旋转频率重新降到极限旋转频率fc。依据一种用于保护真空涡轮分子泵不会超速的方法的另一个独立 的方法权利要求，其中该真空涡轮分子泵具有权利要求l特征，所述方法包括以下步骤测量由电机转子在定子线團内产生的感应电压；将所 测量的电压与存储的EMK极限值进行比较；以及在所测量的电压低于 EMK极限值的情况下发出过低信号。利用这种方法始终监测电机转子永久磁铁的磁力。如果永久磁铁的 磁力随着时间的增长而变弱，这同时导致物理上可达到的旋转频率提 高，那么发出相应的过低信号，从而可以采取相应措施。可替代地或者补充，在供电电压Uy超过所储存的供电电压极限值 的情况下可以发出过压信号。由此确保物理上可达到的旋转频率增大不 会被忽视。在发出过压或者过低信号的情况下最好断开驱动电机。由此以高度 安全性地避免超过极限旋转频率fc。可替代地或者补充，供电电压可以在输入过压信号和/或在输入过低 信号的情况下相应降低。由此在需要时将物理上可达到的旋转频率也降 到极限旋转频率fG。
下面借助附图对本发明的实施例进行详细说明。其中 附图示出真空涡轮分子泵的示意图。
具体实施方式
附图示出高速旋转的真空涡轮分子泵10，其基本上包括泵单元12 和控制单元14。涡轮分子泵用于产生高真空。这种涡轮分子泵以300 至1600 Hz的额定旋转频率&运行。泵单元12具有泵转子13和驱动电 机16。控制单元14包括如下主要部件电源20、电机控制装置22、断开 模块24以及保护装置26。控制单元14用于控制和监测驱动电机16。由于真空涡轮分子泵具有高额定旋转频率，所以不应明显地超过为 泵转子的强度设计的额定旋转频率fw。否则离心力会极大提高，使得泵 转子13，确切地说是转子叶片受到破坏并可能导致危险的飞出。因为泵 单元12的外壳不能设计成任意稳定性和原有的安全度，所以需要可靠 和冗余监测和安全装置，防止显著地超过额定旋转频率fN。由于有利的损耗功率平衡，驱动电机16是一种无电刷的电整流的直流电机。因此驱动电机16在定子侧具有定子线圏，而电机转子通过 至少一个永久磁铁永磁构成。但这种类型的驱动电机的缺点是，在受到 干扰或者转速调节失灵时，该驱动电机由于结构原理可能被加速远远超出额定旋转频率fN，如果电源为此能够提供足够的电能。电机控制装置22具有变频器30和旋转频率调节器32，其通过信号 线34从驱动电机16接收的实际频率fP将实际频率ft与额定旋转频率 fs进行比较，并将相应于差值形成的控制信号再发送给变频器30。变频 器30从通过电源20提供的整流电能中产生用于驱动电机16的定子线 團的相应电流。在无干扰的正常工作时，驱动电机16仅通过电机控制 装置22加速到额定旋转频率fk并在恒定的额定旋转频率fk下工作。具有定子线圏和永磁电机转子的直流驱动电机一种特殊的特征是， 旋转的永磁电机转子在定子线圏内产生感应电压。在这种情况下出现的 与驱动电机16的驱动力反作用的力称为电动力。只有由电源20提供的 并由电机控制装置22提供给定子线圏的原电压大于由电机转子产生的 反向感应电压，即驱动力大于反向的电动力时，才能产生用加速电机转 子的转矩。电源20提供恒定的供电电压Uv。供电电压Uy这样低地调整，使 得在极限旋转频率&时，由电机控制装置22或变频器30和驱动电机 16的定子线團产生的最大驱动力等于电动力。极限旋转频率fc选择为 使得其略大于额定旋转频率fN。极限旋转频率fc应小于额定旋转频率 fw的1.3倍并最好约为额定旋转频率fN的1.05倍。即使在转速调节器失灵并由此造成定子线團最大电流供应的情况 下，驱动电机16也不会使泵转子13加速而超出极P艮旋转频率fc，因为 在该极限旋转频率f(i和更高的旋转频率时，电动力等于或大于由定子线 圏利用所提供的电能产生的驱动力。通过有目的地限制由电源20提供 的供电电压，在一定程度上进行在物理上限制可取得的最大旋转频率f 的功率限制。由旋转的永磁电机转子在定子线團内产生的电压或在这种情况下 产生的电动力直接与电机转子内的单个或多个转子磁铁的磁力成比例。 随着时间过去和高温的不利影响，永久磁铁的磁力下降。由此随着时间的流逝，由驱动电机的单个或多个永久磁铁在定子线圏内产生感应电压 和在这种情况下产生的电动力也在下降，而且始终关于相同的旋转频率。这样的后果是，电动力和由电机控制装置22提供用于供给定子线 圏的电能处于平衡时的旋转频率随着时间上升。这意味着新的危险并因 此是不希望有的。为此，控制单元14具有保护装置26，其监测永磁电机转子中的退 磁过程。保护装置26具有EMK输入端40和旋转频率输入端42。两个 输入端40、 42通入EMK计值模块44内，此外为EMK计值模块44 分配EMK极限值存储器46和信号发送器48。由永磁电机转子在定子 线團内产生的感应电压施加在EMK输入端40上。在旋转频率输入端 42上，计值与驱动电机16的旋转频率f相关的同一信号。两个信号在 EMK计值模块44内与储存在EMK极限值存储器46内的取决于旋转 频率的EMK极限值进行比较。如果在确定的旋转频率f时EMK输入 端40上施加的电压小于用于同一旋转频率f的储存在EMK极限值存储 器内的电压值，那么保护装置26通过信号发送器48发出过低信号，该 信号本身促使断开模块24断开开关，从而定子线團与电机控制装置22 不再电连接并以这种方式断开驱动电机16。保护装置26具有其他控制件，即电压监测模块50。在电压监测模 块50中，监测由电源20的输出端提供给电机控制装置22的供电电压 Uv并在需要时通过供电电压控制线54降低。在电源20提供的供电电 压高于监测模块50内所存储的电压情况下，监测模块50进行干涉。如 果供电电压Uv通过控制线54的校正无效，那么保护装置26通过信号 发送器48发出过压信号，促使断开模块24的断开。因此由信号发送器 48发出的信号可以是来自监测模块50的供电电压过压信号或者是来自 EMK计值模块44的EMK过低信号。监视器模块60用于监测保护装置26的硬件及其基本功能，其中所述 监视器模块具有特有的时基并在功能故障的情况下向断开模块24发出断 开信号，该断开模块又断开驱动电机16。
权利要求
1.一种真空涡轮分子泵(10)，包括无电刷的直流驱动电机(16)，其具有定子线圈和永磁电机转子，其中所述电机转子产生与旋转方向相反的电动力；与所述定子线圈连接的电机控制装置(22)，其从供电电压(Uv)产生引入所述定子线圈的电流；旋转频率调节器(32)，其将所述驱动电机(16)的旋转频率(f)限制于额定旋转频率(fN)；以及与所述电机控制装置(22)连接的电源(20)，其提供恒定的直流电压作为所述电机控制装置(22)的供电电压(Uv)，其特征在于，所述电源(20)设计成使得恒定的供电电压(Uv)这样低地选择，从而在极限旋转频率(fG)时电动力等于由所述电机控制装置(22)和定子线圈可产生的最大驱动力，其中所述极限旋转频率(fG)小于额定旋转频率(fN)的1.3倍。
2.如权利要求1所述的真空涡轮分子泵(10)，其特征在于，设有 保护装置(26)，其包括EMK输入端(40)，由所述电机转子在定子线團内产生的感应电压 施加在所述EMK输入端；EMK极限值存储器(46)，其中储存有取决于旋转频率的EMK极 限值；EMK计值模块(44)，其确定在所述EMK输入端(40)上测量的 电压是否低于EMK极限值；以及信号发送器(48)，其在EMK计值模块(44)确定过低的情况下 发出过低信号。
3.如权利要求1或2所述的真空涡轮分子泵(10)，其特征在于, 极限旋转频率(fG)小于额定旋转频率(fN)的1.1倍。
4.如权利要求1至3中任一项所述的真空涡轮分子泵(10 )，其特 征在于，所述保护装置(26)具有供电电压输入端(52),并且在高于 所储存的供电电压极限值的情况下信号发送器(48)发出过压信号。
5.如权利要求1至4中任一项所述的真空涡轮分子泵(10)，其特 征在于，所述信号发送器(48)与断开模块(24)连接，所述断开模块 在输入过低信号或者过压信号的情况下断开所述驱动电机(16)。
6.如权利要求2至5中任一项所述的真空涡轮分子泵(10)，其特 征在于，所述保护装置(26)与所述电源(20)连接，因而所述保护装 置(26)在出现过低或者过压信号的情况下使得所述电源(20)降低供 电电压(Uv)。
7. —种用于保护真空涡轮分子泵(10)不会超速的方法，其中所述 涡轮分子泵(10)包括无电刷的直流驱动电机(16)，其具有定子线團和永磁电机转子， 其中所述电机转子产生与旋转方向相反的电动力；与所述定子线團连接的电机控制装置(22)，其从供电电压(Uv) 产生引入所述定子线圏的电流；旋转频率调节器(32)，其将所述驱动电机(16)的旋转频率(f) 限制于额定旋转频率(fN);以及与所述电机控制装置(22)连接的电源(20),其提供恒定的直流 电压作为所述电机控制装置(22)的供电电压(Uv)，其中，所述电源(20)设计成使得恒定的供电电压(Uv)这样低地 选择，从而在极限旋转频率(fG )时电动力等于由所述电机控制装置(22 ) 和定子线圏可产生的最大驱动力，其中所述极限旋转频率(fG)小于额 定旋转频率(fN)的1.3倍，所述方法包括以下步骤测量由所述电机转子在定子线團内产生的感应电压；将所测量的电压与存储的EMK极限值进行比较； 在所测量的电压低于EMK极限值的情况下发出过低信号。
8. 如权利要求7所述的用于保护真空涡轮分子泵(10 )不会超速的 方法，其特征在于，在所述供电电压(Uv)超过所储存的供电电压极限 值的情况下发出过压信号。
9. 如权利要求7或8所述的用于保护真空涡轮分子泵(10 )不会超 速的方法，其特征在于，在发出过压信号或者过低信号的情况下断开所 述驱动电机(16)。
10. 如权利要求8所述的用于保护真空涡轮分子泵(10 )不会超速 的方法，其特征在于如下方法步骤在输入过压信号的情况下降低供电 电压(Uv)。
全文摘要
本发明涉及一种真空涡轮分子泵(10)，其通过具有定子线圈和永磁电机转子的无电刷驱动电机(16)驱动。电机转子在旋转时产生与旋转方向相反的电动力。设有与定子线圈连接的电机控制装置(22)，其从供电电压产生引入定子线圈的电流。此外设有旋转频率调节器(32)，其将驱动电机(16)的旋转频率(f)限制于额定旋转频率(f<sub>N</sub>)。设有电源(20)，其与电机控制装置(22)连接并提供恒定的直流电压作为电机控制装置(22)的供电电压。电源(20)设计成使得恒定的供电电压(U<sub>V</sub>)这样低地选择，从而在极限旋转频率(f<sub>G</sub>)时电动力等于由电机控制装置(22)和定子线圈可产生的最大驱动力，其中极限旋转频率(f<sub>G</sub>)小于额定旋转频率(f<sub>N</sub>)的1.3倍。由此电机功率受到限制并将驱动电机(16)的旋转频率在物理上可靠地限制于极限旋转频率(f<sub>G</sub>)。
文档编号H02P6/18GK101253331SQ200680031557
公开日2008年8月27日 申请日期2006年8月17日 优先权日2005年9月1日
发明者克里斯蒂安·哈里希, 阿洛伊斯·格雷文 申请人:厄利孔莱博尔德真空技术有限责任公司