Verdrängermaschine für kompressible Medien

Abstract

 Die Verdrängermaschine für kompressible Medien mit Rotoren, die als Profilkörper (4) ausgebildet sind und deren Profile bei der Drehung zahnradartig ineinandergreifen und berührungsfrei zueinander laufen, wobei die Wellen (3) der Rotoren (4) jeweils durch eigene Elektromotoren (6) angetrieben werden und die Winkelpositionen der Wellen (3) mit Resolvern (8) bestimmt werden, mit Hilfe derer die Rotoren (6) elektronisch synchronisiert werden, wobei die Wellen (3) mit Zahnrädern (7) für eine Notsynchronisation ausgerüstet sind, zeichnet sich dadurch aus, daß mindestens eines der Zahnräder (7) direkt mit dem Rotor des Resolvers seiner Welle (3) und beide zusammen als Einheit lösbar mit der Welle (3) verbunden sind.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Verdrängermaschine für kompressible Medien, insbesondere trockenlaufende Vakuumpumpe, mit mindestens zwei Wellen mit Rotoren, die als Profilkörper ausgebildet sind und deren Profile bei der Drehung zahnradartig ineinandergreifen und berührungsfrei zueinander laufen, wobei die Wellen jeweils durch eigene Elektromotoren angetrieben werden, wobei die Winkelpositionen der Wellen mit Resolvern bestimmt werden, aufgrund von deren Signalen die Motoren elektronisch synchronisiert werden, und wobei die Wellen Zahnräder aufweisen, die ineinandergreifen und deren Winkelspiel kleiner ist als dasjenige der Profilkörper.

[0002] Es war lange Zeit üblich, die Rotoren solcher Verdrängermaschinen durch Zahnräder zu synchronisieren, wobei normalerweise nur ein Motor vorgesehen war. Die Zahnräder mußten aber geschmiert werden, so daß sich eine Verunreinigung des gepumpten Medium nur durch sehr hohen Aufwand bei der Abdichtung des Getriebes gegen die Rotoren und den eigentlichen Pumpenraum vermeiden ließ. Die entsprechenden Dichtungen nutzen aber ab, so daß in mehr oder weniger regelmäßigen Intervallen die Pumpe auseinandergenommen werden mußte, um die Dichtungen zu ersetzen.

[0003] Diese Probleme werden bei einer Pumpe der eingangs genannten Art (US-5 836 746) dadurch vermieden, daß jeder der Rotoren durch einen eigenen Elektromotor angetrieben wird, die elektronisch synchronisiert sind. Durch Resolver werden die Winkelpositionen der beiden Wellen laufend bestimmt. Die Resolversignale werden einer Elektronik zugeführt, die die beiden Elektromotoren so synchron miteinander betreibt, daß sich die Rotoren nicht berühren können. Damit sich bei widrigen Betriebszuständen bei ungenau arbeitender Synchronisation die Rotoren nicht berühren können, was zu Beschädigung der Oberflächen derselben führen würde, ist bei dieser Pumpe auf jeder Welle ein Zahnrad vorgesehen. Die beiden Zahnräder greifen ineinander und haben ein geringeres Winkelspiel als die Profilkörper. Versagt daher die elektronische Synchronisation, so berühren sich zuerst die Zahnräder, die bei Normalbetrieb berührungsfrei laufen. Die Profilkörper können sich aber weiterhin nicht berühren, da sie ein größeres Winkelspiel als die Zahnräder haben.

[0004] Ein Problem bei einer Verdrängermaschine dieser Art besteht dabei darin, die Rotoren und Zahnräder so einzustellen, daß beim Betrieb sowohl die Flanken der Rotoren als auch die Flanken der Zahnräder möglichst großen Abstand voneinander haben. Im Idealfall sollte die Stellung der Rotoren und der Zahnräder so sein, daß die Rotoren zueinander eine Winkelstellung einnehmen, die in der Mitte zwischen den beiden Winkelstellungen liegt, bei denen Berührung stattfindet. Dasselbe gilt für die Zahnräder. Mit dieser "Nullstellung" würde dann die Verdrängermaschine im Normalbetrieb betrieben. Diese Einstellung ist aber sehr schwierig zu bewirken. Eine Einstellung mit mechanischen Mitteln ist mühsam und ungenau, da das Winkelspiel der Zahnräder und der Rotoren nur sehr klein ist und sehr klein sein muß, damit der Spalt zwischen den Profilkörpern, durch den eine Rückströmung beim Pumpen stattfindet, möglichst klein ist.

[0005] Bei einer Verdrängermaschine der eingangs genannten Art (US-5,417,551 A) erfolgt zwar eine Einstellung der Zahnräder auf den Mittelwert der Winkeleinstellungen, bei denen sich die Zahnräder berühren. Der Entgegenhaltung ist aber nichts zu entnehmen, wie die kritische Einstellung gewonnen werden kann, daß der Mittelwert der beiden Winkeleinstellungen, bei dem sich die Flanken der Rotoren berühren, mit dem Mittelwert der entsprechenden Winkelstellungen der Zahnräder zusammenfällt. Nur dann ist aber ein problemloser Betrieb möglich. Es wird lediglich beschrieben, wie der Mittelwert der Winkelstellungen der Zahnräder eingestellt wird. Dabei ist vorausgesetzt, daß die Mittelwerte für die Rotoren und die Mittelwerte für die Zahnräder zusammenfallen. Es ist zwar davon die Rede, daß das Spiel der Zahnräder auf der einen Seite nicht größer sein darf als das auf der anderen, da sich sonst die Rotoren berühren. Ein solches Problem tritt aber nur auf, wenn die Mittelpunkte der Rotoren und der Zahnräder nicht zusammenfallen. Tritt dieses Problem auf, so kann dies nur durch relative Winkelverstellung zwischen Rotoren und Zahnrädern erfolgen, für welche Verstellung der Entgegenhaltung aber keine Hinweise zu entnehmen sind. Eine solche Verstellung dürfte auch nicht möglich sein, da sich die Zahnräder weit im Innern der Maschine befinden, die Winkelsensoren mehr oder weniger am Ende der entsprechenden Welle angeordnet sind und Zahnrad und Rotor des entsprechenden Winkelsensors nicht direkt miteinander verbunden sind.

[0006] Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Verdrängermaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die "Nullstellung" der Rotoren und der Zahnräder einfach, schnell und genau mit Hilfe der Resolver eingestellt werden kann.

[0007] Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß mindestens eines der Zahnräder direkt mit dem Rotor des Resolvers seiner Achse und beide zusammen als Einheit lösbar mit der Welle verbunden sind.

[0008] Die Einstellung der "Nullstellung" bzw. des Flankenspiels geschieht erfindungsgemäß auf folgende Weise. Es wird zunächst ein Rotor, an dem das Zahnrad und der Resolver lösbar befestigt ist, festgehalten. Das Zahnrad kann dabei eine Drehbewegung relativ zur Achse dieses einen Rotors ausführen. Der andere Rotor wird dann in beiden Drehrichtungen bis zu einer Stellung gedreht, in der sich die Flanken der Profilkörper berühren. Die beiden Berührungswinkel werden gemessen, und der Rotor mit seinem daran befestigten Zahnrad wird auf die Mittelstellung zwischen diesen beiden Winkeln eingestellt und festgehalten.

[0009] Der erste Rotor wird ebenfalls weiterhin festgehalten. Es wird nun aber das Zahnrad des ersten Rotors in beiden Richtungen jeweils bis zum Berührungspunkt mit dem Zahnrad des anderen Rotors gedreht. Die Berührungswinkel werden ebenfalls wieder festgestellt. Anschließend wird das Zahnrad auf den Mittelwert dieser beiden Berührungspunkte eingestellt und fest mit der entsprechenden Welle verbunden, insbesondere durch Anziehen von Schrauben festgeklemmt. Sowohl die Rotoren bzw. Profilkörper als auch die Zahnräder befinden ich damit genau in der Mittelstellung zwischen den beiden Stellungen, in denen sie sich berühren oder berühren würden. Dies ist die Nullstellung, mit deren Wert dann die Synchronisierung durchgeführt wird, indem die Regelung so durchgeführt wird, daß die Relativstellung der beiden Wellen, Rotoren und Zahnräder beim laufenden Betrieb möglichst diesem Wert entspricht.

[0010] Vorteilhafterweise sind die Zahnräder an einem Wellenende angebracht, da sie dann besonders leicht zugänglich sind, was das Befestigen des zunächst gelösten Zahnrades an seiner Welle erleichtert.

[0011] Vorteilhafterweise weist die Verdrängermaschine eine Differenzregelung für die Drehzahl der Motoren auf. Durch die erfindungsgemäße Synchronisation mit der Einstellung des Flankenspiels bzw. der "Nullstellung" wird schon ein gut synchroner Betrieb erreicht. Das Betriebsverhalten wird noch verbessert, wenn beide Rotoren nicht auf einen unabhängig vorgegebenen Sollwert synchronisiert werden, sondern die Synchronisation in erster Linie aufgrund von Differenzen der Winkelstellungen erfolgt. Dringt zum Beispiel Flüssigkeit in den Pumpenraum ein, so werden wegen der gegenüber Gasen ungefähr tausendmal höheren Dichte der Flüssigkeit die Rotoren stark abgebremst, wobei die Abbremsung aber für beide Rotoren ungefähr gleich erfolgt. Eventuell vorhandene Unterschiede können dann durch die Synchronisation ausgeglichen werden. Dies wäre nicht der Fall, wenn die Synchronisation auf einen von außen vorgegebenen Wert erfolgen würde. Selbstverständlich findet aber auch eine zusätzliche Regelung von außen statt, um die anzustrebende Drehzahl eingeben zu können. Diese Regelung, die auf beiden Motoren im gleichen Sinne wirkt, ist aber verhältnismäßig langsam, so daß schnelle Drehzahlunterschiede durch die Differenzregelung beseitigt werden.

[0012] Als besonders zweckmäßig hat sich für den Antrieb erwiesen, wenn die Motoren Drehstrommotoren mit permanent-magnetischem Rotor sind.

[0013] Die Erfindung wird im folgenden anhand einer vorteilhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1

in einem Querschnitt eine erfindungsgemäße Verdrängermaschine; und

Fig. 2

eine vergrößerte Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung der Resolver.

[0014] Wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, sind in einem aus mehreren Teilen aufgebauten Pumpengehäuse 1 mit Lagern 2 zwei Wellen 3 gelagert, auf denen Profilkörper 4 befestigt sind, die ineinandergreifen und im Pumpenraum 5 durch einen Anschluß 13 das zu fördernde Medium von oben ansaugen und unten durch nicht gezeigte Öffnungen ausstoßen. Die Wellen 3 und die Profilkörper 4 werden durch Elektromotoren 6 angetrieben, wobei für jede Welle 3 ein separater Elektromotor 6 vorgesehen ist. Unten an den Wellen 3 sind zwei ineinandergreifende Zahnräder 7 vorgesehen. Die Motoren 6 werden mit Hilfe von Resolvern 8 elektronisch synchronisiert. Bei widrigen Betriebsbedingungen, wenn die elektronische Synchronisation nicht ausreicht, berühren sich zunächst die Zahnräder 7, da sie ein geringeres Winkelspiel als die Rotoren 4 aufweisen. Normalerweise berühren sich aber die Zahnräder 7 nicht, so daß auf eine Schmierung dieser Zahnräder verzichtet werden kann.

[0015] Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt der Darstellung der Fig. 1 in vergrößertem Maßstab. Auf der rechten Welle 3 ist das Zahnrad 7 mit de Resolverrotor 9 verbunden, der gegenüber der Welle 3 drehbar ist. Das Zahnrad 7 kann seinerseits mit Hilfe des Spannelementes 13 auf der Welle 3 fixiert werden. Auf der Hülse 9 ist der Rotor 11 des Resolvers 8 angeordnet, während der Stator 12 des Resolvers 8 gehäusefest angeordnet ist.

[0016] Zur Einstellung der idealen Stellung oder Nullstellung sowohl der Rotoren 4 als auch der Zahnräder 3 wird zunächst der in Fig. 1 rechts befindliche Rotor 4 mit seiner Welle 3 festgehalten, wobei die Schraube 10 gelöst ist, so daß sich das rechte Zahnrad 7 drehen kann. Die linke Welle 3 wird dann in beiden Richtungen so weit gedreht, bis sich die Rotoren 4 berühren, wobei diese beiden Berührungswinkel mit Hilfe des Resolvers 8 festgestellt werden. Die linke Welle 3 wird dann auf den Mittelwert zwischen diesen beiden Berührungspunkten eingestellt. Die rechte Welle 3 des rechten Rotors wird wei-terhin festgehalten. Es wird dann das rechts befindliche Zahnrad 7 in beiden Richtungen so weit bewegt, bis es das linke Zahnrad berührt. Die beiden Berührungswinkel werden mit dem rechen Resolver 8 gemessen. Das Zahnrad 7 wird dann auf den Mittelwert zwischen diesen beiden Winkeln eingestellt und wird mit Hilfe der Schraube 10 festgezogen. Beide Rotoren 4 und beide Zahnräder 3 befinden sich damit in der Mittelstellung zwischen den Berührungspunkten. Auf diesen Wert der Relativwinkel wird dann der Betrieb synchronisiert.

Ansprüche

1. Verdrängermaschine für kompressible Medien, insbesondere trockenlaufende Vakuumpumpe, mit mindestens zwei Wellen (3) mit Rotoren (4), die als Profilkörper (4) ausgebildet sind und deren Profile bei der Drehung zahnradartig ineinandergreifen und berührungsfrei zueinander laufen, wobei die Wellen (3) jeweils durch eigene Elektromotoren (6) angetrieben werden, wobei die Winkelpositionen der Wellen (3) mit Resolvern (8) bestimmt werden, aufgrund von deren Signalen die Motoren (6) elektronisch synchronisiert werden, und wobei die Wellen (3) Zahnräder (7) aufweisen, die ineinandergreifen und deren Winkelspiel kleiner ist als dasjenige der Profilkörper (4), dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Zahnräder (7) direkt mit dem Rotor (11) des Resolvers (8) seiner Welle (3) und beide zusammen als Einheit lösbar mit der Welle (3) verbunden sind.

2. Verdrängermaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnräder (7) an einem Wellenende angebracht sind.

3. Verdrängermaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Differenzregelung für die Drehzahl der Motoren (6) aufweist.

4. Verdrängermaschine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Motoren (6) Drehstrommotoren mit permanent-magnetischem Rotor sind.

Zeichnung