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DE3210354C2 - Antrieb für Turbomolekularpumpen - Google Patents

Antrieb für Turbomolekularpumpen

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DE3210354C2
DE3210354C2 DE3210354A DE3210354A DE3210354C2 DE 3210354 C2 DE3210354 C2 DE 3210354C2 DE 3210354 A DE3210354 A DE 3210354A DE 3210354 A DE3210354 A DE 3210354A DE 3210354 C2 DE3210354 C2 DE 3210354C2
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DE
Germany
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voltage
motor
current
winding
turbo molecular
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DE3210354A
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Inventor
Eberhard Ing.(Grad.) Lepper
Karl Heinz 6335 Lahnau Lust
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Pfeiffer Vacuum Technology AG
Original Assignee
Arthur Pfeiffer Vakuumtechnik Wetzlar GmbH
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/06—Arrangements for speed regulation of a single motor wherein the motor speed is measured and compared with a given physical value so as to adjust the motor speed

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  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

Antrieb der Welle einer Turbomolekularpumpe nach dem Prinzip eines bürstenlosen Gleichstrommotors mit einem permanent-magnetischen Rotor und einem Stator mit zwei um 90 ° elektrisch versetzten Wicklungsträgern, wobei die gemeinsamen Enden dieser Wicklungsstränge über einen Strommeßwiderstand mit dem gemeinsamen Nullpunkt einer Spannungsquelle verbunden sind. Beim Abschalten einer Wicklung wird die gespeicherte Induktionsenergie zurückgespeist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Antrieb für die Welle
1. Die viersträngige Wicklung füllt den Wickelraum schlecht aus, was erhöhte Ohmsche Verluste zur Folge hat.
2. Die beim Ausschalten der entsprechenden Wicklung noch vorhandene magnetische Energie wird nicht zurückgewonnen, sondern in den Zehnerdioden bzw. Schalttransistoren verheizt.
3. Bei defekten Schalttransistoren im Betriebsspannungsregler steht am Motor die volle Zwischengleichspannung Uz an, was zum Durchgehen der Betriebsdrehzahl und somit zu einem Sicherheitsrisiko für die Turbomolekularpumpe wird. Außerdem können bei defekter Stromregelung im Zwischenkreis die Schalttransistorcn 7s bis 7g durch Überlastung zerstört werden.
4. Die beschriebenen Beispiele erfordern entweder einen großen Netztraniformator zur Trennung von Netzspannung und Motorspannung, oder einen zweiten Regelkreis zur Stabilisierung der Zwischenkreisspannung Uz.
Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, die beschriebenen Nachteile zu vermeiden und auf einfache Art eine höhere Betriebssicherheit bei-n Antrieb von Turbomolckularpumpen zu erreichen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Motorwicklung zweisträngig ausgeführt ist und die Enden der zweisträngigen Wicklung über einen gemeinsamen Widerstand R\ mit dem Nullpunkt der Spannungsquelle verbunden sind, wobei der Spannungsabfall an diesem Widerstand die Breite der Ansteuerimpulse für die Transistoren des Zerhackers so steuert, daß der Motorstrom konstant bleibt.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Dioden Ds bis D» wird auf einfache Art die magnetische Restenergie aus dem Motor, die beim Abschalten der betreffenden Wicklung entsteht, in die beiden Kondensatoren Q und C2 zurückgeführt
Besonders vorteilhaft ist die Anordnung eines Meßgleichrichters mit Operationsverstärker zwischen dem Strommeßwiderstand R\ und dem Eingang des Impulsbreitenmodulators, der die an R\ entstehende kleine Wechselspann jig gleichrichtet, verstärkt und dem Regler zuführt Durch die Stromregelung über die Eingangsschaltstufe reduziert sich der zweite Regelkreis auf einen Grätzgleichrichter mit nachgeschalteter Drossel und Kondensator. Die Dioden D\ und Da, ersetzen die Schalttransistoren des Spannungsreglers aus F i g. 2, während die Dioden D2 und D3 als Fr« ilaufdioden wirken. Die beiden Speicherdrosseln L\ und L2 sind weiterhin erforderlich, um den Strom in der Schaltstufe zu begrenzen. Die Kondensatoren C3 und Q dienen als Zwischenspeicher für die magnetische Restenergie.
Die Regelspannung wird weiterhin der dynamischen Strombegrenzung, bestehend aus einem Verstärker und einem Spannungskompensator, zugeführt Der Ausgang des Kondensators begrenzt über die Kommutierungseinrichtung den Strom in den Transistoren Ts bis Tg.
In F i g. 1 ist die erfindungsgemäße Anordnung dargestellt. Fig.2 und 3 dienen zur Erläuterung des Standes der Technik.
Anhand des Beispiels in F i g. 1 soll die Funktion des Motors und der Antriebsschaltung erläutert werden. Die hier beschriebene Schaltung vermeidet den schweren und voluminösen Netztransformator und benutzt statt dessen ein geschaltetes Netzteil mit einem wegen der hohen Schaltfrequenz kleinen Netztransformator. Gegenüber der Schaltung nach Fig. 3 wird der Speicherdrosselregelkreis eingespart. Bei defekten Schalttransistoren im Zerhacke; -verden die Spannungen U, und Up zu Null, und der Pumpenrotor kommt zum Stillstand.
Der Motor besteht aus einem Stator mit zwei um 90° elektrisch versetzen Wicklungssträngen W\ und W-* und einem permanentmagnetischen Rotor M. Unter den Wickelköpfen sind im Abstand von 90° (elektrisch) zwei Hallsonden angebracht, die die Stellung des Rotors erfassen und über Schaltverstärker und eine Dekodierschaltung vier phasenrichtige Rechtecksignale von 90° (elektrischer Einschaltdauer) erzeugen, die den Schalttransistoren in der Reihenfolge 7s, Ti, Te, Tg zugeführt werden. Wird Ts leitend gesteuert, so wird Wi mit der Spannung + Ub verbunden und am Widerstand Ri entsteht ein positiver Spannungsabfall. Nach 90° elektrischer Drehung des Rotors, sperrt der Transistor 7s und die in der Wicklung Wi gespeicherte magnetische Energie erzeugt am Verbindungspunkt der Dioden Ds und Df1 eine positive Spannungsspitze, die aber über die Diode Di in den Kondensator Q geladen wird. Die restlichen 3 Schaitvorgänge für eine Umdrehung erfolgen analog.
Die am Strommeßwiderstand R< austretende Spannung ist eine Wechselspannung mit abwechselnd zwei positiven und zwei negativen Impulsen. Sie wird entweder über eine Diode oder besser über einen Meßglcichrichter mit Operationsverstärker dem Impulsbreitenmodulatoir als Regelspannung zugeführt
Jener enthält einen Oszillator der Rechteckimpulse mit einer Frequenz von 20 kHz erzeugt, und zwar abwechselnd positive und negative Impulse, deren Breite von der Regelspannung aus dem Meßgleichrichter abhängt
Die Impulse schalten den Anfang der Primärwicklung des Transformators abwechselnd an den positiven und negativen Pol der durch den Gleichrichter gleichgerichteten Netzspannung Ui. Das Ende der Wicklung liegt am Verbindungspunkt zweier über die Spannung Ui geschalteter Kondensatoren.
Während der Strom in der Primärwicklung des Transformators in Pfeilrichtung fließt, fließt der Strom in der oberen Sekundärwicklung durch Du Li, Ts oder 7>, Wx oder 1V2, R\ zurück zum Mittelpunkt der Sekundärwicklung des Transformators. Wird der Strom in der Primärwicklung unterbrochen, so liefert die Speicherdrossel Li weiter Strom, zusammen mit dem Kondensator Q. Der Strom fließt ebenfalls über T5 oder T1, VV1 oder VK2, R, zurück zum Mittelpunkt des Transformators von dort über die zweite Wicklungshälfte und die Freilaufdiode D2 nach Li zurück. Sollten die Schalttransistoren Ts und T1 gesperrt sein, so erfolgt der Stromfluß in den Kondensator Q, dessen Spannung sich dadurch erhöht. Im negativen Zweig erfoigt der Stromfluß analog. Es wird also eine Stromregelung über die Eingangstransistoren vorgenommen, wobei sich der aus F i g. 2 bekannte Regelkreis auf die Diode D\ und die Drossel Li reduziert.
Bei Erreichen der Betriebsdrehzahl nimmt der Drehzahlmesser den Stromsollwert soweit zurück, daß die Drehzahl konstant bleibt.
Die Ausgangsspannung des Meßgleichrichters wird weiterhin der dynamischen Strombegrenzung zugeführt.
Diese besteht aus einem Verstärker und einem Kompensator.
An einem Eingang desselben ist ein Spannungssollwert vorgegeben, der dem maximal zulässigen Strom-
b5 wert der Endstufentrj^sistoren Ts und 7g entspricht. Überschreitet die aus dem Meßgleichrichter abgeleitete Regelspannung diesen Wert, so wird über die Kommuticrungscinrichtung der Strom in den Endstufcntransi-
stören T% bis Tt auf den vorgegebenen Maximalwert begrenzt.
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6. Labahn, Liska: Drehzahlgeregelte Kleinantriebe 35 CH-Z: Technische Rundschau 15. 1. 1974, S. 27, 29 und 31.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 40
45
50
60
65

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Antrieb der Welle einer Turbomolekularpumpe nach dem Prinzip eines bürstenlosen Gleichstrommotors mit einem permanent-magnetischen Rotor A/und einem Stator mit zwei um 90° elektrisch versetzten Wicklungssträngen Wi und W2, deren Enden verbunden sind und deren Anfänge über je zwei steuerbare Schaltelemente T5 bis T8 mit dem positiven und dem negativen Pol einer Spannungsquelle ( + Ub, -Ub) mit Mittelanzapfung verbindbar sind, einer Kommutierungseinrichtung, die die vier Schaltelemente steuert sowie mit einem Stromversorgungsgerät zum Betrieb des Motors, bestehend aus einem Gleichrichter mit der Ausgangsspannung t/i, einem Zerhacker, der die Primärspule eines nachgeschalteten Transformators schaltet, einem Taktgeber mit Impulsbreitenmodulator, der den Zerhacker steuert, einer Sekundärwicklung mit Mittelanzapfaüg an dem besagten Transformator und vier Gieichrichierdioden D\ bis Da, die in Grätzschaltung an die Sekundärspule angeschlossen sind mit je einer nachfolgenden Drossel L\ und Li, deren Ausgänge den positiven und negativen Pol für den Anschluß des Motors bilden mit in Reihe geschalteten Kondensatoren Q und /i an den Ausgängen, deren Verbindungspunkt zusammen mit der Mittelanzapfung der Trafospule den gemeinsamen Nullpunkt der Spannungsquellen bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsamen Enden der Motors;· aien W\ und V/2 über einen Strommeßwiderstand R\ mit dem gemeinsamen Nullpunkt der Spannungsqüellen verbunden sind und der Spannungsabfall an diesem Stroir yießwiderstand, der dem Motorstrom proportional ist, die Ansteuerimpulse für den Zerhacker in ihrer Breite so beeinflußt, daß der Motorstrom konstant bleibt
2. Antrieb der Welle einer Turbomolekularpumpe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß Dioden D$ bis Dg parallel mit entgegengesetzter Flußrichtung zu den Schalttransistoren Ti bis 7g vorhanden sind, die beim Abschalten des entsprechenden Wicklungsstranges die restliche in der Wicklung gespeicherte Induktionsenergie in die Kondensatoren C\ und Ci zurückspeisen.
3. Antrieb der Welle einer Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren Ts bis Tg durch eine dynamische Strombegrenzung, die vom Spannungsabfall am Strom- meßwiderstand /?i gesteuert wird und in die Kommutierungseinrichtung eingreift, vor Überhitzung geschützt werden.
4. Antrieb der Welle einer Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Regelkreis zwischen dem Strommeßwiderstand R\ und dem Impulsbreitenmodulator ein Meßgleichrichter eingebaut ist.
5. Antrieb der Welle einer Turbomolekularpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Ansteuerimpulse für den Zerhacker bei Erreichen der Betriebsdrehzahl über einen Drehzahlmesser so beeinflußt wird, daß die Drehzahl des Motors konstant bleibt.
65 einer Turbomolekularpumpe nach dem Prinzip eines bürstenlosen Gleichstrommotors.
Bürstenlose Gleichstrommotore sind aus Veröffentlichungen über Kleinmotore (3), (4) bekannt Hier sind verschiedene Varianten der Wicklungsstränge mit den erforderlichen Schaltelementen dargestellt Die beschriebenen Motore haben eine geringe Leistungsaufnahme und die angetriebenen Wellen kleine Trägheitsmomente, so daß die Motore ihre Betrieb"*irehzahl schnell erreichen. Aus diesen Gründen ist eine einfache Stromversorgung möglich.
Bei Turbomolekularpumpen liegen die Antriebsmotore im Vakuumraum. Die Rotoren dieser Pumpen drehen sich mit sehr hoher Frequenz (bis 90 000 U/min). Ihre Betriebsleistung hängt praktisch nur von der Lagerreibung ab. Da die Rotoren wegen ihres hohen Trägheitsmomentes und der hohen Drehzahl eine große Rotationsenergie speichern, ist zum Beschleunigen des Rotors ein sehr hohes Drehmoment erforderlich, unj die Pumpe in möglichst kurzer Zeit auf BetriebsdrehzaHl zu bringen. Während dieser Anlaufphase wird der Rotor mit konstantem Drehmoment beschleunigt was bei Gleichstrommotoren einen Betrieb mit konstantem Strom erfordert Die hierfür verwendeten büstenlosen Gleichstrommotore müssen also diesen Betriebsverhältnissen angepaßt sein.
Ein bürstenloser Gleichstrommotor mit viersträngigen Wicklungen zum Antrieb von Turbomolekularpumpen ist aus der Firmenschrift (5) bekannt Die Stromversorgung dieses Motors ist in F i g. 2 dargestellt Sie besteht aus einem Netztransformator mit Gleichrichter zur Erzeugung einer Zwischengleichspannung Uz, einem Spannungsregler, der vorzugsweise als Schaltregler mit Speicherdrossel ausgeführt ist und während des Hochlaufes die Betriebsspannung Ub so reguliert daß der Gesamtstrom des Motors, der am Strommeßwiderstand R\ gemessen wird, konstant bleibt Bei Erreichen der Betriebsdrehzahl übernimmt ein Drehzahlmesser die Regelfunktion und steuert den Spannungsregler, so daß die Betriebsdrehzahl konstant bleibt
Weiterhin sind z. B. aus (1) und (2) Schaltregler bekannt die den Netztrafo ersetzen (F i g. 3). Hierbei wird innerhalb einer Zerhackerstufe mit Hilfe von Schalttransistoren mit zur Netzfrequenz vergleichsweise hoher Schaltfrequenz die gleichgerichtete Netzspanung zerhackt und über einen Transformator eine Zwischenspannung Uz für den Motor erzeugt Die Schalttransistoren werden über einen Impulsbreitenmodulator angesteuert, der über eine Regelung die Spannung hinter dem Transformator konstant hält Die Stromregelung beim Hochlauf sowie die Drehzahlregelung beim Betrieb erfolgen über einen zweiten Schaltregler (Speiciierdrosselregler, Impulsbreitenmodulator), wie im vorherigen Abschnitt beschrieben.
Bei (6) wird eine Schaltung zur Regelung von Kleinantrieben beschrieben, bei der die gemeinsamen Enden der Motorspulen über einen Strommeßwiderstand mit dem gemeinsamen Nullpunkt verbunden sind. Der Spannungsabfall an diesem Strommeßwiderstand wird zur Drehzahlregelung benutzt Der Elektronikmotor ist mit einer vierstängigen Wicklung ausgestattet Am Strommeßwiderstand liegt eine Gleichspannung an.
Die oben beschriebenen Schaltungen haben folgende Nachteile:
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