CN102242722B - 一种磁悬浮分子泵及其控制方法、制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种磁悬浮分子泵及其控制方法、制造方法，所述磁悬浮分子泵包括泵体和设置在所述泵体内的转子轴系；所述转子轴系包括转子、第一径向磁轴承、第二径向磁轴承、第一轴向磁轴承和第二轴向磁轴承；所述转子包括转子轴和与所述转子轴固定的叶轮；所述转子轴的中部依此间隔地套设有所述第一径向磁轴承和所述第二径向磁轴承；常态下，转子质心设置于所述转子轴的轴线上并与所述第一径向传感器的质心重合。本发明提供的磁悬浮分子泵基本实现转子的平动和转动两种运动相互解耦，可分别对上述两种运动进行调整控制，从而简化了控制过程，降低了控制难度、提高了磁悬浮分子泵系统控制效率和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及真空获得设备技术领域，特别是一种磁悬浮分子泵及其控制方法、制造方法。
背景技术
分子泵是一种真空泵，它是利用高速旋转的转子叶轮把动量传递给气体分子，使之获得定向速度，从而使气体被压缩、并被驱向至排气口、再被前级泵抽走。磁悬浮分子泵是一种采用磁轴承（又称主动磁悬浮轴承）作为分子泵转子支承的分子泵，它利用磁轴承将转子稳定地悬浮在空中，使转子在高速工作过程中与定子之间没有机械接触，具有无机械磨损、能耗低、允许转速高、噪声低、寿命长、无需润滑等优点，目前磁悬浮分子泵广泛地应用于高真空度、高洁净度真空环境的获得等领域中。
磁悬浮分子泵的内部结构如图1所示，所述磁悬浮分子泵的转子包括转子轴7和与所述转子轴7固定连接的叶轮1。所述叶轮1固定安装在所述转子轴7的上部；所述转子轴7的中部依此间隔地套设有第一径向磁轴承6、电机8和第二径向磁轴承9等装置，上述装置共同构成了所述磁悬浮分子泵的转子轴系。
现有技术的磁悬浮分子泵，常态下，转子质心2设置于所述转子轴7的轴线上并位于所述第一径向磁轴承6和所述第二径向磁轴承9之间，如图2所示。在工作过程中，所述转子会受到源于分子泵自身或者外界的扰动力，引起所述转子产生平动（即水平运动）、轴向运动和所述转子绕所述转子质心2的转动。其中，所述轴向运动可通过改变第一轴向磁轴承13和/或第二轴向磁轴承15的参数来调节，而所述转子的平动或者所述转子绕所述转子质心2的转动则需要通过同时调整所述第一径向磁轴承6和所述第二径向磁轴承9的控制参数来调节，即所述转子的平动，及所述转子绕所述转子质心2的转动是由所述第一径向磁轴承6和所述第二径向磁轴承9共同控制的。
如果所述转子受扰动力影响，同时产生了所述转子的平动和所述转子绕所述转子质心2的转动，这两种运动就会相互耦合，使所述转子的运动情况变得很复杂。在消除扰动力影响、使所述转子恢复常态时，需要同时改变所述第一径向磁轴承6和所述第二径向磁轴承9的控制参数来调整上述转子平动和转子转动，使得控制过程非常复杂，控制难度大，不利于磁悬浮分子泵系统的稳定运行。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于现有技术中由于转子的质心设置在第一径向磁轴承和第二径向磁轴承之间，受扰动力影响转子同时产生平动和转动时转子运动情况复杂，调整磁轴承参数的难度较大、控制过程复杂，所需调整时间长、效率低的技术问题，而提供一种在转子同时发生平动和转动时能使转子的平动和转动两种运动基本相互解耦，大大简化磁悬浮分子泵控制过程，降低控制难度、提高磁悬浮分子泵系统控制效率和稳定性的磁悬浮分子泵及其控制方法、制造方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种磁悬浮分子泵，包括泵体和设置在所述泵体内的转子轴系；所述转子轴系包括转子、第一径向磁轴承、第二径向磁轴承、第一轴向磁轴承和第二轴向磁轴承，所述转子包括转子轴和与所述转子轴固定的叶轮；所述转子轴的中部依此间隔地套设有所述第一径向磁轴承和所述第二径向磁轴承，所述转子轴的下部套设有所述第一轴向磁轴承和所述第二轴向磁轴承，所述转子轴由所述第一径向磁轴承、所述第二径向磁轴承、所述第一轴向磁轴承和所述第二轴向磁轴承支承；常态下，转子质心设置于所述转子轴的轴线上并与所述第一径向传感器的质心重合。
一种上述磁悬浮分子泵的控制方法，包括 ①所述磁悬浮分子泵运行过程中，若转子受扰动力影响，所述转子产生平动，由第一径向磁轴承抑制所述转子的平动； ②所述磁悬浮分子泵运行过程中，若所述转子受扰动力影响，所述转子围绕所述转子质心产生转动，由第二径向磁轴承抑制所述转子的转动； ③所述磁悬浮分子泵运行过程中，若所述转子受扰动力影响，所述转子同时产生了平动和围绕所述转子质心产生转动，由所述第一径向磁轴承抑制所述转子的平动，由所述第二径向磁轴承抑制所述转子的转动； ④所述磁悬浮分子泵运行过程中，若所述转子受扰动力影响，所述转子产生轴向运动，由第一轴向磁轴承和/或第二轴向磁轴承抑制所述转子的轴向运动。
上述控制方法中，所述方法③是所述第一径向传感器仅能检测到转子平动信号，所述第二径向传感器同时检测到转子平动信号和转子转动信号的混合信号，用所述第二径向传感器检测到的混合信号减去所述第一径向传感器检测到的转子平动信号，以滤除所述第二径向传感器测得的转子平动信号，只保留所述第二径向传感器测得的转子转动信号，使得所述转子的平动由所述第一径向磁轴承抑制，所述转子的转动由所述第二径向磁轴承抑制。
一种上述磁悬浮分子泵的制造方法，包括通过改变转子轴的结构、质量分布，或者改变叶轮的结构、质量分布，以使转子质心设置于所述转子轴的轴线上并与第一径向传感器的质心重合。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
① 本发明提供的磁悬浮分子泵及其控制方法，常态下转子质心设置于转子轴的轴线上并与第一径向传感器的质心重合，在转子同时发生平动和转动时，能使转子的平动和转动两种运动基本相互解耦，转子平动主要由第一径向磁轴承来调整控制，转子转动由第二径向磁轴承来调整控制，从而大大简化了控制过程，降低了控制难度、提高了分子泵系统控制效率和稳定性；
② 本发明提供的磁悬浮分子泵的制造方法，通过改变转子轴的结构、质量分布，或者改变叶轮的结构、质量分布，以使转子质心设置于转子轴的轴线上并与第一径向传感器的质心重合，上述方法都比较简单，易于实现。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是磁悬浮分子泵的结构示意图；
图2是现有技术中磁悬浮分子泵的转子质心位置示意图；
图3是本发明磁悬浮分子泵的转子质心位置示意图。
图中附图标记表示为：1-叶轮，2-转子质心，3-泵体，4-第一径向保护轴承，5-第一径向传感器，6-第一径向磁轴承，7-转子轴，8-电机，9-第二径向磁轴承，10-第二径向传感器，11-第二径向保护轴承，12-轴向保护轴承，13-第一轴向磁轴承，14-推力盘，15-第二轴向磁轴承，16-轴向传感器，17-接线端子，18-位移检测装置，19-速度检测装置，20-磁悬浮分子泵控制器。
具体实施方式
如图1所示，是本发明所涉及的磁悬浮分子泵的结构示意图，本实施例中所述磁悬浮分子泵竖直设置，所述磁悬浮分子泵包括泵体3、设置在所述泵体3内的转子轴系、以及现有技术中所述磁悬浮分子泵应当具有的其他结构，由于本发明不涉及上述其他结构，在此不再赘述。
所述转子轴系包括转子、第一径向磁轴承6、第二径向磁轴承9、第一轴向磁轴承13和第二轴向磁轴承15；所述转子包括转子轴7、与所述转子轴7固定的叶轮1、以及用于固定所述叶轮1的装配部件，如螺钉、螺母等。
所述转子轴7的轴线沿竖直方向设置，所述叶轮1固定设置在所述转子轴7的上部。所述转子轴7的下部设置有所述第一轴向磁轴承13、所述第二轴向磁轴承15、推力盘14以及轴向保护轴承12和用于检测所述转子轴向位移信号的轴向传感器16。所述转子轴7的中部依此间隔地套设有第一径向保护轴承4、第一径向传感器5、第一径向磁轴承6、电机8、第二径向磁轴承9、第二径向传感器10和第二径向保护轴承11等装置。所述第一径向磁轴承6包括第一径向磁轴承定子和第一径向磁轴承转子，所述第一径向磁轴承定子与所述泵体3固定连接，所述第一径向磁轴承转子与所述转子轴7固定连接；所述第一径向传感器5用于检测在所述第一径向传感器5处的转子平动位移信号。所述第二径向磁轴承9包括第二径向磁轴承定子和第二径向磁轴承转子，所述第二径向磁轴承定子与所述泵体3固定连接，所述第二径向磁轴承转子与所述转子轴7固定连接；所述第二径向传感器10用于检测在所述第二径向传感器10处所述转子的位移信号，包括转子平动位移信号和转子转动位移信号。所述转子轴7由所述第一径向磁轴承6、所述第二径向磁轴承9、所述第一轴向磁轴承13和所述第二轴向磁轴承15支承。常态下（所述转子静态悬浮时），所述转子质心2设置于所述转子轴7的轴线上并与所述第一径向传感器5的质心重合，如图3所示。所述第一径向磁轴承6和所述第二径向磁轴承9用于向所述转子施加径向电磁力，使所述转子恢复常态。
所述磁悬浮分子泵的控制系统包括位移检测装置18、转速检测装置19和磁悬浮分子泵控制器20；所述位移检测装置18用于接收位移信号，其信号输入端与所述第一径向传感器5、所述第二径向传感器10和所述轴向传感器16的信号输出端连接，所述位移检测装置18的信号输出端与所述磁悬浮分子泵控制器20的信号输入端连接；所述转速检测装置19用于检测所述转子的转速信号，其信号输入端通过所述磁悬浮分子泵的接线端子17连接到转速检测传感器，所述转速检测装置19的信号输出端与所述磁悬浮分子泵控制器20的信号输入端连接。
所述磁悬浮分子泵控制器20根据所述位移检测装置18获得的位移信号，调用合适的控制算法进行分析运算，最终驱动相应的磁轴承（所述第一径向磁轴承6、所述第二径向磁轴承9、所述第一轴向磁轴承13和所述第二轴向磁轴承15中的一个或多个）输出电磁力对所述转子的运动施加控制。所述磁悬浮分子泵控制器20根据所述转速检测装置19获得的转速信号，对所述转子的转动实时监控，并根据需要调整所述转子的转速。
所述磁悬浮分子泵的上述结构结合其控制方法，在所述转子同时发生平动和转动时，能使所述转子平动和所述转子绕所述转子质心2的转动两种运动基本相互解耦，大大简化了控制过程、降低了控制难度、提高了分子泵系统效率。所述磁悬浮分子泵控制方法包括：
①所述磁悬浮分子泵运行过程中，若所述转子受扰动力影响，所述转子产生平动。所述第一径向传感器5和所述第二径向传感器10都将检测到所述转子的转子平动信号。所述第一径向传感器5和所述第二径向传感器10将检测到的转子平动信号通过所述位移检测装置18发送给所述磁悬浮分子泵控制器20，所述磁悬浮分子泵控制器20经过运算分析将分别向所述第一径向磁轴承6和所述第二径向磁轴承9发出控制指令以调整所述转子的位置、抑制所述转子平动。由于所述转子质心2与所述第一径向传感器5的质心重合，且所述第一径向磁轴承6位置紧邻第一径向传感器5，所以所述第一径向磁轴承6产生的电磁力对于所述转子平动的影响远大于所述第二径向磁轴承9产生的电磁力对于所述转子平动的影响，所述第二径向磁轴承9输出的电磁力可以忽略，所以此时所述转子的平动主要由所述第一径向磁轴承6控制，即可使所述转子恢复常态。
②所述磁悬浮分子泵运行过程中，若所述转子受扰动力影响，所述转子产生转动，即所述转子围绕所述转子质心2转动。由于所述转子质心2与所述第一径向传感器5的质心重合，所述第一径向传感器5检测不到所述转子的转动信号，只有所述第二径向传感器10能检测到转子转动信号。所述第二径向传感器10将检测到的转子转动信号通过所述位移检测装置18发送给所述磁悬浮分子泵控制器20，所述磁悬浮分子泵控制器20经过运算分析将向所述第二径向磁轴承9发出控制指令以调整所述转子的位置、抑制所述转子转动，使所述转子恢复常态。 ③所述磁悬浮分子泵运行过程中，若所述转子受扰动力影响，所述转子同时产生了平动和围绕所述转子质心2的转动。由于所述转子质心2与所述第一径向传感器5的质心重合，所述第一径向传感器5只能检测到转子平动信号，而所述第二径向传感器10同时检测到转子平动信号和转子转动信号的混合信号。所述第一径向传感器5和所述第二径向传感器10会将各自检测到的相应信号通过所述位移检测装置18发送给所述磁悬浮分子泵控制器20，所述磁悬浮分子泵控制器20经过运算分析分别对转子平动信号和转子转动信号作出响应。针对转子平动信号，所述磁悬浮分子泵控制器20经过运算分析将分别向所述第一径向磁轴承6和所述第二径向磁轴承9发出控制指令以调整所述转子的位置、抑制所述转子平动，由于所述转子质心2与所述第一径向传感器5的质心重合，且所述第一径向磁轴承6位置紧邻第一径向传感器5，所以所述第一径向磁轴承6产生的电磁力对于所述转子平动的影响远大于所述第二径向磁轴承9产生的电磁力对于所述转子平动的影响，所述第二径向磁轴承9输出的电磁力可以忽略，所以此时所述转子的平动主要由所述第一径向磁轴承6控制，即可使所述转子恢复常态；针对转子转动信号，所述磁悬浮分子泵控制器20首先将所述第二径向传感器10检测到混合信号（包括转子平动信号和转子转动信号）减去所述第一径向传感器5检测到的转子平动信号，以滤除转子平动信号，只保留转动信号。所述磁悬浮分子泵控制器20根据所述第二径向传感器10保留下来的转子转动信号向所述第二径向磁轴承9发出控制指令以调整所述转子的位置、抑制所述转子转动，从而使所述转子恢复常态。 ④所述磁悬浮分子泵运行过程中，若所述转子受扰动力影响，所述转子产生轴向运动，所述轴向传感器16将检测到所述转子的轴向位移信号。所述轴向传感器16将检测到的轴向位移信号通过所述位移检测装置18发送给所述磁悬浮分子泵控制器20，所述磁悬浮分子泵控制器20经过运算分析将向所述第一轴向磁轴承13和/或所述第二轴向磁轴承15发出控制指令以调整所述转子的位置、抑制所述转子的轴向运动，使所述转子恢复常态。
上述控制方法还包括现有技术中控制所述磁悬浮分子泵所必须的其他一般方法，由于本发明不涉及上述其他一般方法，此不赘述。
本发明提供的所述磁悬浮分子泵的制造方法，包括通过改变所述转子轴7的结构、质量分布，或者改变所述叶轮1的结构、质量分布，以使所述转子的所述转子质心2设置于所述转子轴7的轴线上并与所述第一径向传感器5的质心重合。在本实施例中，通过改变所述转子轴7的质量分布，使得所述转子质心2位置上提并与所述第一径向传感器5的质心重合。
当然，上述制造方法还包括现有技术中用于制造一台完整磁悬浮分子泵的一般方法步骤，由于本发明不涉及上述一般方法步骤，此不赘述。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (2)
1.一种磁悬浮分子泵的控制方法，所述磁悬浮分子泵包括泵体（3）和设置在所述泵体（3）内的转子轴系；所述转子轴系包括转子、第一径向磁轴承（6）、第二径向磁轴承（9）、第一轴向磁轴承（13）和第二轴向磁轴承（15）；所述转子包括转子轴（7）和与所述转子轴（7）固定的叶轮（1）；所述转子轴（7）的中部依次间隔地套设有第一径向传感器（5）、所述第一径向磁轴承（6）、所述第二径向磁轴承（9）和第二径向传感器（10），且所述第一径向磁轴承（6）位置紧邻所述第一径向传感器（5），所述转子轴（7）的下部套设有所述第一轴向磁轴承（13）和所述第二轴向磁轴承（15），所述转子轴（7）由所述第一径向磁轴承（6）、所述第二径向磁轴承（9）、所述第一轴向磁轴承（13）和所述第二轴向磁轴承（15）支承；常态下，转子质心（2）设置于所述转子轴（7）的轴线上并与所述第一径向传感器（5）的质心重合；其特征在于：包括
①所述磁悬浮分子泵运行过程中，若转子受扰动力影响，所述转子产生平动，由第一径向磁轴承（6）抑制所述转子的平动；
②所述磁悬浮分子泵运行过程中，若所述转子受扰动力影响，所述转子围绕所述转子质心（2）产生转动，由第二径向磁轴承（9）抑制所述转子的转动；
③所述磁悬浮分子泵运行过程中，若所述转子受扰动力影响，所述转子同时产生了平动和围绕所述转子质心（2）产生转动，由所述第一径向磁轴承（6）抑制所述转子的平动，由所述第二径向磁轴承（9）抑制所述转子的转动；
④所述磁悬浮分子泵运行过程中，若所述转子受扰动力影响，所述转子产生轴向运动，由第一轴向磁轴承（13）和/或第二轴向磁轴承（15）抑制所述转子的轴向运动。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述方法③是所述第一径向传感器（5）仅能检测到转子平动信号，所述第二径向传感器（10）同时检测到转子平动信号和转子转动信号的混合信号，用所述第二径向传感 器（10）检测到的混合信号减去所述第一径向传感器（5）检测到的转子平动信号，以滤除所述第二径向传感器（10）测得的转子平动信号，只保留所述第二径向传感器（10）测得的转子转动信号，使得所述转子的平动由所述第一径向磁轴承（6）抑制，所述转子的转动由所述第二径向磁轴承（9）抑制。
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