(57)【要約】  真空ターボ分子ポンプは、ステータコイルと永久磁石により励磁されるモータロータを有するブラシレス直流電流駆動モータによって駆動され、モータロータは、回転とは反対方向の起電力を生じ、ステータコイルと接続されたモータ制御部は、給電電圧からステータコイル内で形成される電流を生じ、回転周波数発生器は、駆動モータの回転周波数を定格回転周波数に制限し、モータ制御部と接続された電圧給電部は、一定直流電圧をモータ制御部用の給電電圧として供給し、一定給電電圧が低いように構成され、限界回転周波数で、電磁力が、モータ制御部及びステータコイルによって形成可能な最大の駆動力に等しいようにされ、限界回転周波数は、定格回転周波数の1.3倍よりも小さく、これにより、モータ電力は制限され、駆動モータの回転周波数は、高い信頼度で限界回転周波数に物理的に制限される。
2009507458.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空ターボ分子ポンプ（１０）であって、
ステータコイルと永久磁石のモータロータを有するブラシレス直流電流駆動モータ（１６）を有しており、前記モータロータは、回転方向とは反対方向の起電力を生じ、
前記ステータコイルと接続されたモータ制御部（２２）を有しており、前記モータ制御部（２２）は、給電電圧(UV)から、前記ステータコイル内で形成される電流を生じ、
回転周波数発生器（３２）を有しており、該回転周波数発生器（３２）は、前記ブラシレス直流電流駆動モータ（１６）の回転周波数（ｆ）を定格回転周波数（ｆN）に制限し、
前記モータ制御部（２２）と接続された電圧給電部（２０）を有しており、前記電圧給電部（２０）は、一定直流電圧を前記モータ制御部（２２）用の給電電圧(UV)として供給する真空ターボ分子ポンプ（１０）において、
電圧給電部（２０）は、一定給電電圧(UV)が低く選定されるように構成されており、該選定の際、限界回転周波数（fG）で、起電力が、モータ制御部（２２）及びステータコイルによって形成可能な最大の駆動力に等しいようにされることを特徴とする真空ターボ分子ポンプ（１０）。
【請求項２】
保護装置（２６）が設けられており、該保護装置（２６）は：
モータロータによりステータコイル内に誘起される電圧が印加されるＥＭＫ（起電力）入力（４０）と、
回転周波数依存のＥＭＫ限界値が記憶されているＥＭＫ限界値メモリ（４６）と、
前記ＥＭＫ入力（４０）で測定された電圧が前記ＥＭＫ限界値を下回っているかどうか検出するＥＭＫ評価モジュール（４４）と、
前記ＥＭＫ評価モジュール（４４）が、前記ＥＭＫ入力（４０）で測定された電圧が前記ＥＭＫ限界値を下回っていることを検出した場合、下回り信号を送出する信号発生器（４８）を有している請求項１記載の真空ターボ分子ポンプ（１０）。
【請求項３】
限界回転周波数（fG）は、定格回転周波数（fN）の１．１倍よりも小さい請求項１又は２記載の真空ターボ分子ポンプ（１０）。
【請求項４】
保護装置（２６）は、給電電圧入力（５２）を有しており、給電された給電電圧限界値の超過時に、信号発生器（４８）は、過電圧信号を送出する請求項１から３迄の何れか1記載の真空ターボ分子ポンプ（１０）。
【請求項５】
信号発生器（４８）は、遮断モジュール（２４）と接続されており、前記遮断モジュール（２４）は、下回り信号又は過電圧信号の入力時に駆動モータ（１６）を遮断する請求項１から４迄の何れか１記載の真空ターボ分子ポンプ（１０）。
【請求項６】
保護装置（２６）は、電圧給電部（２０）と接続されており、前記保護装置（２６）は、下回り信号又は過電圧信号の生起時に前記電圧給電部（２０）を制御して給電電圧（UV）を低減する請求項２から５迄の何れか１記載の真空ターボ分子ポンプ（１０）。
【請求項７】
真空ターボ分子ポンプ（１０）を過回転数から保護するための方法であって、真空ターボ分子ポンプ（１０）は：
ステータコイルと永久磁石のモータロータを有するブラシレス直流電流駆動モータ（１６）を有しており、前記モータロータは、回転方向とは反対方向の起電力を生じ、
前記ステータコイルと接続されたモータ制御部（２２）を有しており、前記モータ制御部（２２）は、給電電圧(UV)から、前記ステータコイル内で形成される電流を生じ、
回転周波数発生器（３２）を有しており、該回転周波数発生器（３２）は、前記ブラシレス直流電流駆動モータ（１６）の回転周波数（ｆ）を定格回転周波数（ｆN）に制限し、
前記モータ制御部（２２）と接続された電圧給電部（２０）を有しており、前記電圧給電部（２０）は、一定直流電圧を前記モータ制御部（２２）用の給電電圧(UV)として供給し、
前記電圧給電部（２０）は、前記一定給電電圧(UV)が低く選定されるように構成されており、該選定の際、限界回転周波数（fG）で、起電力が、モータ制御部（２２）及びステータコイルによって形成可能な最大の駆動力に等しいようにされ、前記限界回転周波数（fG）は、前記定格回転周波数（ｆN）の１／３倍よりも小さい、前記真空ターボ分子ポンプ（１０）を過回転数から保護するための方法において、
以下の各方法ステップ：
モータロータにより、ステータコイル内に誘起された電圧を測定するステップ、
測定された前記電圧を、蓄積された(hinterlegten)ＥＭＫ限界値と比較するステップ、
前記測定された電圧が前記ＥＭＫ限界値を下回った場合、下回り信号を送出するステップを有することを特徴とする真空ターボ分子ポンプ（１０）を過回転数から保護するための方法。
【請求項８】
給電電圧(UV)が記憶されている給電電圧限界値を下回っている場合、下回り信号を送出することを特徴とする真空ターボ分子ポンプ（１０）を保護するための方法。
【請求項９】
過電圧又は下回り信号が送出された場合、駆動モータ（１６）を遮断する請求項７又は８記載の真空ターボ分子ポンプ（１０）を保護するための方法。
【請求項１０】
過電圧信号の入力時に給電電圧(UV)を低減する方法ステップを有する請求項８記載の真空ターボ分子ポンプ（１０）を保護するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石のモータロータとステータコイルを有する直流電流駆動モータを有している真空ターボ分子ポンプに関する。
【０００２】
真空ターボ分子ポンプは、毎分２０，０００−１００，０００回転領域内の最大回転数、乃至、３００Ｈｚ〜１，７００Ｈｚの最大回転周波数領域を有する高速回転ターボ機器である。ポンプロータ用の駆動部として、有利な損失電力収支のために、永久磁石によって励磁されるモータロータを有するブラシレス直流電流駆動モータが使われることが屡々である。
【０００３】
高い回転周波数では、作動中ロータから外されるロータ部品は、非常に高い運動エネルギを有している。当然、高い回転周波数で回転する真空ターボ分子ポンプは、クラッシュの場合に損傷する危険性が高い。これは、ポンプステータを相応に外装化(armouring)乃至装甲化する(Panzerung)ことによってしか回避できず、それにより、高いコストが掛かる。殊に、大きなターボ機器では、ポンプケーシングは、たいして、任意に本質的に安全に(eigensicher)構成することはできない。希にしか生起しないが、そのような事故の非常に危険な原因は、ポンプロータの回転数が定格回転数を超えて上昇する点にある。つまり、ロータ翼とロータハブの連結部は、比較的僅かな安全性を加味して定格回転数用にしか構成されていないからである。従って、過剰回転数乃至過剰回転周波数、即ち、定格回転周波数より上側の回転周波数を高い信頼度で回避することは非常に重要である。
【０００４】
モータ制御部内で回転周波数調整器が機能しない場合、回転周波数が定格回転周波数を超えて上昇する危険性が著しく高くなる。
【０００５】
従って、普通行われている安全性の要件は、付加的なセンサ、付加的なタイムベースなどを含む著しくコスト高な、第２の独立した回転周波数コントロール装置を必要とする。
【０００６】
それに対して、本発明の課題は、僅かなコストと高い安全性・確実性で過剰回転数から保護される真空ターボ分子ポンプを提供することにある。
【０００７】
本発明によればこの課題は独立請求項１の各特徴要件により解決される。
【０００８】
本発明の真空ターボ分子ポンプは、モータ制御部に給電電圧UVを給電するための電圧給電部を有しており、この電圧給電部は、一定であり、且つ、低く調整され、該調整の際、限界回転周波数fGで、起電力が、モータ制御部及びステータコイルによって形成可能な最大の駆動力に等しいようにされ、その際、限界回転周波数fGは、定格回転周波数fNの１．３倍より小さい。
【０００９】
永久磁石により励磁されるロータを備えたブラシレス直流電流モータでは、最大回転周波数は、それ自体により調整され、該調整時に、ロータの永久磁石によってステータコイル内に誘起される電圧乃至起電力（ＥＭＫ）が、最大回転周波数に達した場合、形成される最大駆動力を完全に補償することができるように大きくされる。ステータコイル内にモータロータによって誘起される電圧は、回転数乃至回転周波数に比例する。モータ制御部は、電圧給電部により電気エネルギが供給されるので、且つ、電圧給電部は、一定直流電圧をモータ制御部用の給電電圧として供給するので、回転周波数は、最大回転周波数を超えて監視することはできない。
【００１０】
電圧給電部によってモータ制御部に供給される電気エネルギは、丁度、比較的低く、且つ、定格回転周波数fNに基づいて定められた(orientierenden)限界回転周波数fGの場合、起電力と、モータ制御部により電力制限に基づいてステータコイル内に形成可能な最大駆動力との間の均衡状態が調整されるような大きさである。本来の回転周波数調整器が故障した場合でさえ、駆動モータは、物理的な理由から、定格回転周波数fNの約１／３倍より大きく加速することはできない。限界回転周波数fGは、有利には、定格回転周波数fNの１．１倍より小さい。
【００１１】
実際には、高速回転する真空ターボ分子ポンプのポンプロータは、当該ポンプロータが定格回転周波数の約１０−３０％だけ回転周波数を上昇し、その際、破壊されず、乃至、ロータ翼が、ポンプステータと衝突するように延在されずに構成されている。モータ制御部に供給される電気エネルギの制限により、駆動モータ及びポンプロータは、高い信頼度で過度に高い過剰回転数から保護される。従って、第２の回転数コントロールシステムをなくすことができる。
【００１２】
有利な実施例によると、保護装置は：
モータロータによりステータコイル内に誘起される電圧が印加されるＥＭＫ入力と、
周波数依存のＥＭＫ限界値が記憶されているＥＭＫ限界値メモリと、
ＥＭＫ入力で測定された電圧値がＥＭＫ限界値を下回っているかどうか検出するＥＭＫ評価モジュールと、
ＥＭＫ評価モジュールが、ＥＭＫ入力で測定された電圧がＥＭＫ限界値を下回っていることを検出した場合、下回り信号を送出する信号送出器を有している。
【００１３】
起電力によってステータコイル内に誘起される電圧は、この回転数の外側でも、モータロータの単数乃至複数の永久磁石の磁力に依存している。しかし、永久磁石による起電力は、年数が経過するにつれて低減し、更に、温度によって左右されて低減する。つまり、モータ制御部によってステータコイルを介して形成される駆動力に反作用する起電力は、同じ回転周波数に関して、時間の経過につれて一層低くなり、その結果、固定して設定された限界回転周波数fGではもはや均衡状態は調整されず、限界回転周波数fGより高い回転周波数で調整される。
【００１４】
これは、モータロータによりステータコイル内に誘起される電圧を回転周波数に関して監視することによって回避される。モータロータの自己励磁(Eigenmagnetismus)が低減すると、誘起される電圧も低減する。これは、場合によっては、前述の各要件を用いて検出され、相応の信号が送出され、この信号が、駆動モータの補正及び／又は遮断のために利用され得る。
【００１５】
有利な実施例によると、保護装置は、給電電圧入力を有しており、入力で測定された給電電圧限界値が記憶された給電電圧限界値を超過した際に、過電圧信号を送出する。このようにして、保護装置は、駆動モータの回転周波数を積極的に制限するために責任がある電圧給電部を監視する。電圧給電部により供給される給電電圧の上昇が検出された場合、相応の過剰電圧信号が送出され、その結果、回転周波数調整器が同時に故障した際に、駆動モータの回転周波数が限界回転周波数を超えて上昇するのが回避される。
【００１６】
有利な実施例によると、信号発生器は、遮断モジュールと接続されており、遮断モジュールは、下回り信号又は過電圧信号の入力時に駆動モータを遮断する。障害の場合に、先ず、相応の調整により補正することは試みられず、作動を継続することによって生起することがあるどんな危険性も排除するために、遮断素子を介して即座に駆動モータが遮断される。
【００１７】
有利には、信号発生器は、電圧給電部と接続されており、その結果、電圧給電部は、下回り信号又は過剰電圧信号の入力時に給電電圧が相応に低減される。これにより、特に、弱くなるロータマグネットによって生じる効果を補償することができる。弱くなるロータマグネット及び一定給電電圧時に物理的に達成可能な回転周波数が高くされるので、給電電圧の相応の低減により、物理的に達成可能な回転周波数を再度限界回転周波数fGに低減することができる。
【００１８】
請求項１の各要件を備えた真空ターボ分子ポンプを過回転数から保護するための方法の請求項によると、以下の各方法ステップが設けられており：
モータロータにより、ステータコイル内に誘起された電圧を測定するステップ、
測定された電圧を、蓄積された(hinterlegten)ＥＭＫ限界値と比較するステップ、
測定された電圧がＥＭＫ限界値を下回った場合、下回り信号を送出するステップを有する。
【００１９】
この方法により、モータロータの永久磁石の磁力が監視される。永久磁石の磁力は、時間の経過につれて弱くなり、つまり、それと同時に、物理的に達成可能な回転周波数が高まるので、相応の下回り信号が送出され、その結果、相応の手段を講じることができる。
【００２０】
択一的に、又は、補完して、給電電圧UVが、記憶されている給電電圧限界値を超過した場合、過剰電圧信号を送出することができる。これにより、物理的に達成可能な回転周波数があまり上昇することはないようにすることができる。
【００２１】
有利には、過剰電圧又は下回り信号が送出された場合、駆動モータは遮断される。これにより、高い確実さで、限界回転周波数fGが下回るのが回避される。
【００２２】
択一的に又は補完的に、過剰電圧信号の入力時、及び／又は、下回り信号の入力時に、給電電圧を相応に低減することができる。これにより、物理的に達成可能な回転周波数を場合によっては再度限界回転周波数fGに低減することができる。
【００２３】
以下、本発明について、図示の実施例を用いて詳細に説明する。
【００２４】
図は、真空ターボ分子ポンプの略図である。
【００２５】
図には、ほぼポンプユニット１２及び制御ユニット１４からなる高速回転する真空ターボ分子ポンプ１０が示されている。ターボ分子ポンプは、高真空を形成するのに使われる。そのようなターボ分子ポンプは、３００−１６００Ｈｚの定格回転周波数fNで回転する。ポンプユニット１２は、ポンプロータ１３及び駆動モータ１６を有している。
【００２６】
制御ユニット１４は、主要要素として、電圧給電部２０、モータ制御部２２、遮断モジュール２４並びに保護装置２６を有している。制御ユニット１４は、駆動モータ１６の制御乃至コントロールに使われる。
【００２７】
真空ターボ分子ポンプの高い定格回転周波数のために、定格回転周波数fNは、ポンプロータの強度のために、あまり超過されないようにする必要がある。さもないと、遠心力が高くなって、ポンプロータ１３、及び、具体的には、ロータ翼が、これにより破壊され、危険な弾丸状態となることがある。ポンプユニット１２のケーシングは、任意に固定及びあまり本質的に安全に(eigensicher)構成することはできないので、定格回転周波数 fNの顕著な超過を阻止する、高い信頼度と冗長性を持ったコントロール及び安全装置が必要である。
【００２８】
コントロール及び安全装置の有利な損失電力収支のために、駆動モータ１６は、電子整流ブラシレス直流電流モータである。従って、駆動モータ１６は、ステータ側のステータコイルを有しており、モータロータは、少なくとも１つの永久磁石によって永久に磁気が形成されているように構成されている。しかし、このタイプの駆動モータの欠点は、回転数調整部の障害又は故障時に、このタイプの駆動モータが、その原理により、電圧給電部がこのために充分な電気エネルギを給電することができる場合、定格回転周波数fNを著しく超過して加速されることがある点にある。
【００２９】
モータ制御部２２は、インバータ３０と回転周波数調整器３２を有しており、回転周波数調整器３２は、実際周波数fIを信号線３４を介して駆動モータ１６から受け取って、目標回転周波数fSと比較し、差に相応して、それから形成された制御信号が再度インバータ３０に送出される。
【００３０】
インバータ３０は、電圧給電部２０によって形成された整流された電気エネルギから、相応の電流を駆動モータ１６のステータコイル用に形成する。障害のない定格駆動時には、駆動モータ１６は、単独で、モータ制御部２２によって定格回転周波数fNに上昇し、一定定格回転周波数fNで駆動される。
【００３１】
ステータコイルと、永久励磁されるモータロータとを備えた直流電流駆動モータの特別な特性は、回転する永久励磁されるモータロータによって、ステータコイル内に電圧が誘起されることである。この際形成される、駆動モータ１６の駆動力とは反対方向に作用する力が、起電力と呼ばれる。電圧給電部２０によって形成される、モータ制御部２２がステータコイルの通電のために形成する元の電圧が、モータロータによって誘起された逆向きの電圧よりも大きい、乃至、駆動力が逆向きの起電力よりも大きい場合に限って、モータロータの加速のためにトルクを形成することができる。
【００３２】
電圧給電部２０は、一定給電電圧UVを給電する。給電電圧UVは調整されて、限界回転周波数fGで、モータ制御部２２乃至インバータ３０及び駆動モータ１６のステータコイルによって形成可能な最大駆動力が起電力に等しいように当該給電電圧UVが低くされる。 限界回転周波数fGは、当該限界回転周波数fGが定格回転周波数fNよりも少し大きいように選定される。限界回転周波数fGは、定格回転周波数fNの１／３倍よりも小さくする必要があり、ここでは、定格回転周波数fNの凡そ１．０５倍である。
【００３３】
回転数調整器及びこれにより制約されるステータコイルの最大通電の故障の場合でさえ、駆動モータ１６は、ポンプロータ１３を、限界回転周波数fGを超えて加速することはできない。と言うのは、限界回転周波数fG及び高い回転周波数では、起電力は、ステータコイルにより、形成される電気エネルギを用いて形成可能な駆動力に等しいか、乃至、大きいからである。電圧給電部２０により給電される給電電圧の所期の制限により、達成可能な最大回転周波数ｆを物理的に制限する、いわば、電力制限が実行される。
【００３４】
永久に励磁されるモータロータにより、回転時にステータコイル内に形成される電圧乃至これにより形成される起電力は、モータロータ内の単数乃至複数のロータマグネットの磁力に正比例して依存する。時間と共に、及び、高い温度による否定的な作用により、永久磁石の磁力は低減する。これにより、時間の経過につれて、モータロータの単数乃至複数の永久磁石によってステータコイル内に誘起される電圧、及び、この際形成される起電力は、常に同じ回転周波数に関して低減する。この結果、起電力及びモータ制御部２２によって形成される、ステータコイルの通電用の電気エネルギが平衡状態となり、時間の経過につれて上昇する。これは、新たな危険が生じるということであり、従って、不所望である。
【００３５】
この理由から、制御ユニット１４は、保護装置２６を有しており、この保護装置２６は、永久磁石のモータロータ内の減磁過程を監視する。保護装置２６は、ＥＭＫ入力４０及び回転周波数入力４２を有している。両入力４０，４２は、ＥＭＫ評価モジュール４４に供給され、ＥＭＫ評価モジュール４４には、更にＥＭＫ限界値記憶器４６及び信号発生器４８が対応して設けられている。ＥＭＫ入力４０には、永久励磁のモータロータによりステータコイル内に誘起される電圧が印加される。回転周波数入力４２では、同じ信号が、駆動モータ１６の回転周波数ｆに関して評価される。両信号は、ＥＭＫ評価モジュール４４内でＥＭＫ限界値メモリ４６内に記憶されたＥＭＫ限界値と回転周波数に依存して比較される。所定の回転周波数ｆで、ＥＭＫ入力４０に印加する電圧が、同じ回転周波数に対してＥＭＫ限界値メモリ内に記憶された電圧値よりも小さい場合、保護装置２６は、信号発生器４８を介して下回り信号を送出し、この下回り信号により、遮断モジュール２４がスイッチを開くようにし、その結果、ステータコイルは、もはやモータ制御部２２と電気的に接続されず、駆動モータ１６は、このようにしてスイッチオフされる。
【００３６】
保護装置２６は、別のコントロール要素、つまり、電圧監視モジュール５０を有している。この電圧監視モジュール５０では、電圧給電部２０によりモータ制御部２２の出力に形成される給電電圧が監視され、場合によっては、給電電圧制御線５４を介して低減される。電圧給電部２０が、監視モジュール５０内に蓄積されている給電電圧よりも高い給電電圧を供給する場合、監視モジュール５０は作用する。制御線５４を介して給電電圧UVがうまく補正されない場合、保護装置２６は、過電圧信号を信号発生器４８を介して送出し、この過電圧信号により、遮断モジュール２４が遮断される。信号発生器４８から送出された信号は、監視モジュール５０から到来する給電電圧過電圧信号又はＥＭＫ評価モジュール４４から到来するＥＭＫ下回り信号である。
【００３７】
保護装置２６のハードウェア及び当該保護装置の基本機能の監視のために、ウオッチドッグモジュール６０が使われ、このウオッチドッグモジュール６０は、自分の時間ベースを有しており、エラー機能時に、遮断信号を遮断モジュール２４に送出し、この遮断モジュール２４により、駆動モータ１６が遮断される。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】真空ターボ分子ポンプの略図
【図１】
2009507458.tif 000003
【国際調査報告】
2009507458.tif 000004
2009507458.tif 000005
2009507458.tif 000006
2009507458.tif 000007