DE4240718C2

DE4240718C2 - Reinpumpe

Info

Publication number: DE4240718C2
Application number: DE4240718A
Authority: DE
Inventors: Tsugito Nakazeki; Hiroyoshi Ito
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 1991-12-04
Filing date: 1992-12-03
Publication date: 1999-03-04
Anticipated expiration: 2012-12-04
Also published as: US5350283A; DE4240718A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Reinpumpe nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Reinpumpen, die mit einem Flü gelrad versehen sind, das an einer vorbestimmten Position in einem Gehäuse durch magnetische Kraft von außerhalb des Gehäuses gehalten und angetrieben wird, und die in Halbleiterherstellungstechnologien und in medizinischen In strumenten anwendbar sind.

Eine Zentrifugalpumpe, bei welcher der Druck von Strömungsmitteln durch die Rotation eines Flügelrades erhöht wird, wird auf industriellem Gebiet weithin verwendet.

Fig. 8 ist ein vertikaler Schnitt einer Reinpumpe, die in der japanischen Offen legungsschrift No. 3-229987 durch den Erfinder der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen wurde. Wie in Fig. 8 gezeigt ist, ist ein Flügelrad 3 in einem Ge häuse 2 einer Pumpe 1 angeordnet. Das Gehäuse 2 ist aus nichtmagnetischen Bauteilen hergestellt, während das Flügelrad 3 ein nichtmagnetisches Bauteil 5, das einen Permamentmagneten 4 hat, der ein permanentmagnetisches Lager bildet, und ein Weicheisenbauteil 6 aufweist, das einem Rotor eines steuerbaren magnetischen Lagers entspricht. Der Permanentmagnet 4 ist in Richtung des Umfangs des Flügelrades 3 geteilt, wobei die nebeneinander liegenden Teile mit zueinander gegensätzlichen Polen magnetisiert sind. Ein Rotor 8, der von einer Welle 7 getragen wird, ist außerhalb des Gehäuses 2 angeordnet, damit er der Seite des Permanentmagneten 4 von Flügelrad 3 gegenüberliegt. Der Rotor 8 wird durch einen Motor (nicht gezeigt) zur Rotation angetrieben. Der Rotor 8 weist die selbe Anzahl von Permanentmagneten 9 auf, wie Permanentmagnete 4 an dem Flügelrad 3 vorhanden sind, so daß sich die Permanentmagnete gegen überliegen und eine anziehende Kraft ausüben. Elektromagnete 10 sind so befe stigt, daß sie der Seite mit dem Eisenteil 6 des Flügelrad 3 gegenüberliegen, wo bei die Elektromagnete 10 das Flügelrad 3 in der Mitte des Gehäuses 2 gegen die anziehende Kraft der Permanentmagnete 4 und 9 halten.

In einer solchen Reinpumpe treibt der Permanentmagnet 9, der in dem Rotor 8 eingesetzt ist, das Flügelrad 3 an und unterstützt es radial, um eine axiale an ziehende Kraft zwischen dem Permanentmagneten 9 und dem Permanentma gneten 4 zu erzeugen. Ein Strom wird durch eine Spule des Elektromagneten 10 so geführt, daß das Gleichgewicht zwischen den anziehenden Kräften erhalten bleibt, wodurch das Flügelrad 3 schwebend gehalten wird. Dann, wenn Rotor 8 dreht, bilden die Permanentmagnete 4 und 9 eine magnetische Kopplung, um das Flügelrad 3 anzutreiben, wodurch Strömungsmittel aus einer Auslaß öffnung (nicht gezeigt) austritt. Weil das Flügelrad 3 von dem Rotor 8 durch das Gehäuse 2 getrennt ist und nicht durch den Elektromagneten 10 kontaminiert wird, bleibt das Strömungsmittel der Pumpe 1 sauber.

Je kleiner die anziehende Kraft der magnetischen Kopplung zwischen den Per manentmagneten 4 und 9 ist, um so kleiner ist der Betrag des Stromflusses durch die Spule des Elektromagneten 10, wodurch weniger Wärme erzeugt und weniger Leistung verbraucht wird. Jedoch ist eine verminderte anziehende Kraft nicht praktisch, weil es die Verminderung der Antriebskraft der magneti schen Kopplung und einer radialen Steifheit mit sich bringt. Um eine erforderli che Antriebskraft und eine radiale Steifheit zu erhöhen, sollte Strom von mehr als einem festen Betrag durch die Spule von Elektromagnet 10 geführt werden, was zu einer Erhöhung der Wärmeerzeugung und des Stromverbrauches führt.

Aus der US 4,944,748 ist ein Flügelrad einer Pumpe durch eine magnetische Lagerung gelagert. Zur Lagerung werden eine Vielzahl von Elektromagneten verwendet, die je mit einem Permanentmagneten kombiniert sind. Dabei soll der Stromverbrauch für die Elektromagneten minimiert werden, wobei die Viel zahl von Elektromagneten mit einer komplexen Steuervorrichtung verbunden sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Reinpumpe bereitzustellen, die es erlaubt, den Strom, der von einem steuerbaren Lager verbraucht wird, zu vermindern, die radiale Steifheit zu erhöhen, und die notwendige Antriebskraft zu erhalten.

Diese Aufgabe wird bei einer Reinpumpe nach dem Hauptanspruch gelöst.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Reinpumpe, die mit einem ringförmigen Ro tatorflügelrad versehen ist, das in einem Gehäuse untergebracht ist, und auf einen Rotor, der an einer Seite des Flügelrades vorgesehen ist, wozwischen sich das Gehäuse befindet. Der Rotor und das Flügelrad werden radial durch ein permanentmagnetisches Lager getragen. An der anderen Seite des Flügelrades ist ein steuerbares magnetisches Lager vorgesehen, das von einem kombinierten Magneten, der einen Permanentmagneten und einen Elektromagneten auf weist, gebildet wird, wobei das steuerbare magnetische Lager durch einen Steu erschaltkreis null-leistungsgesteuert ist.

Gemäß der Erfindung erreicht die Steuerung des kombinierten Magneten daher die notwendige Antriebskraft, erhöht die radiale Steifheit und reduziert den Lei stungsverbrauch.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsgform der Erfindung ist das Flügelrad so schräg geformt, daß der Freiraum zwischen dem Flügelrad und dem Gehäuse sich nach radial außen hin verjüngt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Permanent magnet an einem Teil eines Jochs vorgesehen, wobei ein kombinierter Magnet mit einer ersten Spulenwicklung zur Erhöhung der magnetischen Kraft des kombinierten Magneten einschließlich der magnetischen Kraft des Permanent magneten und einer zweiten Spulenwicklung zur Verminderung der magneti schen Kraft gebildet wird.

Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Vielzahl von Positionssensoren zwischen einer Vielzahl von kombinierten Ma gneten vorgesehen, und die Sensorausgänge werden als erste Rückkopplungs signale an einen Steuerschaltkreis angelegt. Der Steuerschaltkreis umfaßt einen Vergleicher zum Vergleich eines extern angelegten Positionssetzungssignales mit den ersten und zweiten Rückkopplungssignalen, eine PID-Steuerschaltung zur Steuerung der Phase und des Verstärkungsfaktors eines Ausgangssignales des Vergleichers, einen Integrator zur Integration des Ausgangssignales der PID-Steuerschaltung, der das integrierte Ausgangssignal als ein zweites Rück kopplungssignal auf den Vergleicher gibt, einen ersten Verstärker zur Ver stärkung alleine der positiven Signalkomponente, die aus dem Ausgangssignal der PID-Steuerschaltung zur Steuerung der ersten Spule gewonnen wurde, und einen zweiten verstärkenden Schaltkreis zur Verstärkung der rein negativen Signalkomponente des Ausgangssignales der PID-Steuerschaltung zur Steue rung einer zweiten Spule.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restli chen Unteransprüche.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen vertikalen Schnitt einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 ein Diagramm mit Koordinatenachsen zur Steuerung des in Fig. 1 gezeigten Flügelrades;

Fig. 3 einen der in Fig. 1 gezeigten kombinierten Magneten;

Fig. 4 einen vertikalen Schnitt entlang der Linie V-V von Fig. 1;

Fig. 5 ein Blockdiagramm eines Steuerschaltkreises für die erste Aus führungsform;

Fig. 6 eine Konfiguration einer Reinpumpe, die zu einer Fehlfunktion führt; und

Fig. 7 einen vertikalen Schnitt einer Reinpumpe, die so verbessert wurde, daß sie zu keiner Fehlfunktion führt;

Fig. 8 einen vertikalen Schnitt einer herkömmlichen Reinpumpe.

Mit Bezug auf Fig. 1 wird zunächst eine Reinpumpe beschrieben, die mit Aus nahme eines Elektromagneten 20 ähnlich wie die oben beschriebene Reinpumpe von Fig. 1 aufgebaut ist. Der Elektromagnet 20 ist mit einem Permanentmagne ten 21 an einem Joch an einer Seite eines U-förmigen Kerns versehen, der aus ferromagnetischem Material hergestellt ist, wobei Spulen 22 und 23, wie in Fig. 3 gezeigt ist, gewickelt sind. Die Spulen sind so angeschlossen, daß sie eine ma gnetische Kraft eines kombinierten Magneten, die die magnetische Kraft eines Permanentmagneten 21 umfaßt, erhöhen, wenn Strom durch die Spule 22 fließt, und daß sie die magnetische Kraft vermindern, wenn Strom durch die Spule 23 fließt.

Der kombinierte Elektromagnet 20 ist in einer solchen Weise ausgelegt und räumlich unter Abstand von einem Weicheisenbauteil 6 angeordnet, daß die resultierende Kraft der Kräfte zur Anziehung des Flügelrades 3 ungefähr gleich der Kraft der Permanentmagneten 4 und 9 zur Anziehung des Flügelrades ist, wenn kein Strom durch die Spule fließt. Positionssensoren S1-S4 sind zwi schen den Elektromagneten 20, wie in Fig. 4 gezeigt ist, angeordnet. Die Positi onssensoren S1-S4 tasten die Spalte zwischen dem kombinierten Magneten 20, 21 und dem Weicheisenbauteil 6 ab. Der Sensorausgang wird an einen Steuer schaltkreis 30 (Fig. 5) angelegt, was später beschrieben wird, um z, θ_X und θ_y (Fig. 2) zu steuern, wodurch das Flügelrad 3 ungefähr in der Mitte des Gehäuses 2 gehalten wird.

Fig. 5 ist ein Blockdiagramm eines Steuerschaltkreises gemäß einer Ausfüh rungsform der Erfindung. Mit Bezug auf Fig. 4 wird die Steuerung in der Aus führungsform der Erfindung beschrieben. Aus den Ausgängen der vier Positi onssensoren S1, S2, S3 und S4 (Fig. 4) werden die kombinierten Magneten für jede Steuerachse gesteuert, wobei (S1 + S2 + S3 + S4) als Rückkkopplungseingang zur z-Achsensteuerung, (S1 + S2) - (S3 + S4) als Rückkopplungsseingang für θ_X und (S1 + S4) - (S2 + S3) als Rückkopplungseingang für θ_y dient.

Als Beispiel wird die Steuerung der z-Achse beschrieben. Mit (S1 + S2 + S3 + S4) als Rückkopplungseingang der z-Achse werden ein von außen angelegte Positi onssetzungssignal Rz und ein Rückkopplungseingang II durch einen Vergleicher 31 verglichen und verstärkt, um an der PID-Steuerschaltung 32 angelegt zu werden, wenn es keine Schleife I in dem Steuerschaltkreis 30 (Fig. 5) gibt. Die PID-Steuerschaltung 32 umfaßt einen Integrationssschaltkreis 321, einen Pro portionalschaltkreis 322, einen Differentialschaltkreis 323 und einen Additions schaltkreis 324 zur Aufaddition dieser Ausgänge. Dann justiert die PID-Steue rschaltung 32 die Phase und den Verstärkungsfaktor einer Spannung v₁ zur Ausgabe. Die Spannung v₁ wird an einen A-Schaltkreis 33 und an einen B- Schaltkreis 34 angelegt. Der A-Schaltkreis 33 gibt nur positive Signalkompo nenten der Spannung v₁ aus, während B-Schaltkreis 34 nur negative Signal komponenten ausgibt. In anderen Worten, wenn eine positive Abweichung groß im Vergleich zu einem gesetzten Wert ist, wird ein Ausgang von A-Schaltkreis 33 durch einen Verstärker 35 um K₆ verstärkt, um in eine magnetische Kraft umgewandelt zu werden, welche bewirkt, daß die magnetische Kraft des kom binierten Magneten 20, 21 verstärkt wird, wodurch die Masse M des Flügelrades 3 so beeinflußt wird, daß das Flügelrad 3 vom kombinierten Magneten 20, 21 angezogen wird.

Auf der anderen Seite wird mit einer negativen Abweichung, die groß in Bezug auf einen gesetzten Wert ist, ein Ausgang des B-Schaltkreises 34 durch einen Verstärker 36 verstärkt, und in eine magnetische Kraft umgewandelt, die die magnetische Kraft des kombinierten Magneten 20, 21 vermindert, was dazu führt, daß das Flügelrad 3 sich vom kombinierten Magneten entfernt. Wenn die Spannung v₁ ungefähr gleich Null ist, legt ein C-Schaltkreis 37 einen vorgege ben Strom zur Eliminierung einer neutralen Zone der magnetischen Kraft an die Ausgänge des A-Schaltkreises 33 und B-Schaltkreises 34 durch Addierer 38 bzw 39 an. In anderen Worten, wenn die Spannung v₁ gleich Null ist, während Ströme von gleicher Größe durch die beiden in Fig. 3(b) gezeigten Spulen 22, 23 fließen, bleibt die anziehende Kraft des kombinierten Magneten 20, 21 gleich der anziehenden Kraft von dem Permanentmagneten 21 alleine.

Wenn die Schleife I aufgebaut ist, wird eine Spannung v₁ des Ausgangs des Ad dierers 324 in der PID-Steuerschaltung 32 durch den Integrator 40 integriert, durch den Verstärker 41 um K₅ verstärkt und zu einem gesetzten Wert im Vergleicher 31 addiert. In anderen Worten wird ein anfänglich gesetzter Wert aktualisiert und der Abstand zwischen den kombinierten Magneten 20, 21 und dem Flügelrad 3 wird verkürzt, um die anziehende Kraft zwischen den Perma nentmagneten 4 und 9 (Fig. 1) mit der anziehenden Kraft des Permanentma gneten 21 auszubalansieren. Diese Operation wird als Steuerung bezeichnet. Dann, wenn die Abweichung positiv oder negativ aufgrund von dynamischen Störung wird, fließt ein Strom, wie oben beschrieben ist durch die Spule 22 oder die Spule 23, um das Flügelrad 3 zu steuern und dadurch seine dynamische Sta bilität zu erhalten.

Da eine Positionsänderung des Flügelrades 3 bei Steuerung innerhalb des Ge häuses 2 fällt, wenn das Flügelrad 3 sich stark bewegt, kommt es in Kontakt mit den inneren Oberflächen des Gehäuses 2. Um einen solchen Kontakt zu vermei den, enthält der Verstärker 41 einen Begrenzungsschaltkreis, um zu verhin dern, daß das Flügelrad 3 in Kontakt mit den inneren Oberflächen des Gehäuses 2 kommt. Zusätzlich wird die Zeitkonstante des Integrators 40 so gewählt, daß sie größer als die des Integrators 321 in der PID-Steuerschaltung 32 ist. Wei terhin kann ein Setzwert für die Steuerung durch Addition verändert werden, wie in Fig. 5 durch gestrichelte Linien angezeigt ist. In anderen Worten, mit ei nem Addierer 42, der als vorangegangene Stufe zum Integrator 321 vorgesehen ist, wird ein Ausgang des Vergleichers 31 an den Addierer 42 angelegt, worin der Ausgang auf den Ausgang des Verstärkers 41 addiert wird. Das Addi tionausgangssignal wird auf den Integrator 321 gegeben.

Wenn das Flügelrad 3 sich in der Mitte des Gehäuses 2 befindet, sollte eine an ziehende Kraft eines Kopplungsmagneten zur Rotation und eine anziehende Kraft des kombinierten Magneten 20, 21 so abgestimmt werden, daß sie unge fähr gleich sind, wenn kein Strom fließt. Zusätzlich kann eine Kopplung zur Ro tation durch ein Rotationsmagnetfeld verwirklicht werden.

Gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform der Erfindung wird ein kom binierter Magnet mit einem Permanentmagneten, der an einem Teil des Jochs eines aktivtypmagnetischen Lagers vorgesehen ist, zur Steuerung verwendet, und es ist möglich, die notwendige Antriebskraft und erhöhte radiale Steifheit bei Verminderung des Stromverbrauchs zu erhalten.

Fig. 6 veranschaulicht eine Konfiguration einer Reinpumpe der Erfindung, die zu einer Fehlfunktion führt. Wenn der Freiraum zwischen dem Flügelrad 3 und dem Gehäuse 2 in radialer Richtung auswärts vom Flügelrad 3 aufgrund eines Herstellungsfehlers sich vergrößert, wird der Ausstoßdruck P₀ der Pumpe 1 hoch. Als Ergebnis wird der Strömungsmitteldruck an einer Stelle, wo ein mitt lerer Freiraum kleiner ist, erhöht wegen der Festkeilwirkung des Strö mungsmitteldruckes von der äußeren Umfangsseite. Der Anstieg des Strö mungsmitteldruckes bewirkt eine nach links gerichtete Kraft Ff auf das Flügel rad 3. Obwohl eine nach rechts gerichtete Kraft auf das Flügelrad 3 ausgeübt wird, um die Kraft durch die anziehenden Kräfte der Permanentmagneten 4 und 9 während der Steuerung auszugleichen, wird die Keilwirkung des Strö mungsmittelsdruckes weiter erhöht, wodurch die nach links gerichtete Kraft Ff verstärkt wird. Als Ergebnis wird das Steuersystem unstabil. Eine Ausführungs form, die solche Fehler eliminiert, wird im Folgenden beschrieben.

Fig. 7 ist eine Schnittansicht des Hauptteiles einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Die Ausführungsform von Fig. 7 ist so aufgebaut, daß die rechts seitigen und linksseitigen Freiräume zwischen den Gehäuse 2 und dem Flügel rad 3 in radialer Richtung einwärts von Flügelrad 3 in Hinsicht auf Verar beitungsfehler vergrößert werden. Bei dieser Ausführungs wird angenommen, daß der Strömungsmitteldruck auf das Flügelrad 3 wie Ff nach rechts gerichtet wirkt. Zu dieser Zeit bewegt sich das Flügelrad 3 nach links, weil es der Steue rung ausgesetzt ist. Unter der Steuerung ändert sich der linksseitige Freiraum von groß nach klein, wodurch Ff aufgrund des Strömungsmitteldrucks sich von groß nach klein ändert, um bei einem stabilen Punkt zu halten. Wenn der rechtsseitige Freiraum größer ist, wird das Flügelrad 3 nicht weiter nach links bewegt.

Während in der Ausführungsform von Fig. 7 beide Seitenflächen des Flügelra des 3, die dem Gehäuse 2 gegenüberliegen, so geformt sind, daß jeder Freiraum zwischen dem Flügelrad 3 und dem Gehäuse 2 gegen die Pumpenauslaßseite (auswärts) schmaler werden, kann eine Seite des Flügelrades 3 auch parallel stehen.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung, bei der zumindest einer der Frei räume zwischen dem Flügelrad und dem Pumpengehäuse so geformt ist, daß er in der Pumpe nach außen hin schmaler wird, wird Ff, das auf das Flügelrad wirkt, automatisch ausgeglichen, um eine stabile Steuerung zu erreichen.

Claims

1. Reinpumpe, umfassend ein ringförmiges Flügelrad, daS in einem Gehäuse rotiert, einen durch einen Motor antreibbaren Rotor, der an einer Seite des Flügelrades außerhalb des Gehäuses angebracht ist, Permanentmagnete, die an der dem Rotor zuge wandten Seite des Flügelrades und an einer gegenüberliegenden Seite des Rotors zur Mitnahme des Flügelrades durch den Rotor vorgesehen sind, ein auf der vom Rotor abgewandten Seite des Flügelrades angeordnetes steuerbares magnetisches Lager, be stehend aus einem am Flügelrad angeordneten Weicheisenteil und aus einer Vielzahl von gegenüberliegend im Gehäuse angeordne ten Elektromagneten mit jeweils mindestens einer an einem Joch eines Kerns aus ferromagnetischem Material angeordneten strom durchflossenen Spule sowie einem elektrischen Steuerschalt kreis, um das Flügelrad gegen die Wirkung der Permanentmagnete mittig zu halten, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromagnete (20) mit je einem Permanentmagneten (21) kombiniert sind, wobei der Permanentmagnet (21) an dem Joch des Kerns aus ferromagnetischem Material angeordnet ist und daß der elektrische Steuerschaltkreis (30) der Stromfluß in einer ersten Spule (22) zur Erhöhung und in einer zweiten Spule (23) zur Reduzierung der magnetischen Kraft des mit dem Permanentmagneten (21) kombinierten Elektromagneten (20) steuert.

2. Reinpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumin dest drei von einer Vielzahl von Positionssensoren (S1-S4) zwischen der Vielzahl von kombinierten Magneten (20, 21) eingefügt sind, um die je weiligen Sensorausgänge als erste Rückkopplungssignale an den Steuer schaltkreis (30) anzulegen, wobei der Steuerschaltkreis (30) einen Vergleicher (31) zum Vergleich eines von außen angelegten Positionssetzungssignals mit einem ersten und einem zweiten Rückkopplungssignal, eine PID- Steuerschaltung (32) zur Steuerung der Phase und des Verstärkungsfak tors eines Ausgangssignals des Vergleichers (31), einen Integrator (40) zur Integration des Ausgangssignals der PID-Steuerschaltung (32) und zur Anlegung des integrierten Signals als zweites Rückkopplungssignal an den Vergleicher (31), einen ersten Verstärker (35) zur Verstärkung von nur positiven Signalkomponenten, die dem Ausgangssignal der PID- Steuerschaltung (32) durch einen Schaltkreis (33) entnommen sind, um die erste Spule (22) anzutreiben, und einen zweiten Verstärker (36) zur Verstärkung von nur negativen Signalkomponenten, die dem Ausgangssi gnal der PID-Steuerschaltung (32) durch einen Schaltkreis (34) entnom men sind, um die zweite Spule (23) anzutreiben, aufweist.

3. Reinpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ver stärker (41) der Integrationsvorrichtung (40) nachgeschaltet ist.

4. Reinpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Addierer (38, 39) zur Addition eines Ausgangssignals eines Schalt kreises (37) auf das Ausgangssignal des Schaltkreises (33) des ersten Ver stärkers (35) bzw. des Schaltkreises (34) des zweiten Verstärkers (36) vorgesehen ist.

5. Reinpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Seiten des Flügelrades (3) schräg geformt ist, so daß ein Freiraum zwischen dem Flügelrad (3) und dem Gehäuse (2) sich nach radial außen hin verjüngt.