CN106958531B - 一种低损耗磁悬浮涡轮分子泵 - Google Patents

一种低损耗磁悬浮涡轮分子泵 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低损耗磁悬浮涡轮分子泵，用于真空设备工业领域。该涡轮分子泵是主要由机壳(7)、叶轮(1)、五自由度磁轴承、高速快响应永磁驱动电机(5)、电机和磁轴承的控制器(9)组成。本发明采用低损耗的上径向永磁偏置混合径向磁轴承、下三自由度轴径向一体化永磁偏置混合磁轴承组成，具有低损耗、无摩擦，清洁无油污染、低振动和长寿命的优点。同时本发明采用涡轮级和牵引级复合设计，为分子泵实现高转速、大抽速和高压缩比等高性能特性提供了技术支持。

Description

一种低损耗磁悬浮涡轮分子泵
技术领域
本发明涉及一种真空分子泵，特别是一种低损耗的磁悬浮涡轮分子泵。
背景技术
分子泵是根据分子动量传输原理而设计的真空泵，能获得10-9Pa的超高真空设备，在半导体制造、薄膜制备、聚变技术和质谱分析等工业领域有着广泛的应用。其抽气原理是在分子流区域内依靠高速运动的刚体表面携带气体分子或传递动量给气体分子，使气体分子产生定向运动并逐级压缩，从而实现抽气的目的。由于分子泵长期运行于高真空环境中，泵体内部电磁产生的损耗直接转变为温升，特别是对于磁悬浮分子泵，转子由于悬浮无接触，热量无法通过热传导和对流的方式及时散出，只能通过热辐射的方式进行换热，高温升对分子泵的稳定运行带来极大的威胁。因此，研制低损耗和长寿命的分子泵显得十分重要。
现有公开的相关技术专利主要有：(1)被动磁悬浮式无刷直流电机(专利公开号：CN 1472874A)；(2)轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机(专利公开号：CN101207310A)；(3)一种四自由度磁悬浮飞轮(专利公开号：CN 104201935A)；(4)一种用于水平轴力发电的三自由度混合磁轴承(专利公开号：CN150070299A)等。
上述专利中将磁悬浮轴承技术应用于不同的工业设备领域，对于本发明中涉及的涡轮分子泵，由于转子的叶轮具有大的转动惯量和运行于高真空环境中的特点，使得专利(1)提及的具有小承载力的被动轴承和专利(2)、(3)中提及的大损耗主动磁轴承已无法满足高性能涡轮分子泵的需求，同时为了提高转子的临界转速，减小转子的轴向长度，专利(4)中提及的三自由度混合磁轴承也无法满足高性能涡轮分子泵的需求。本发明提出的涡轮分子泵结构可大大改善现有技术的不足，从根本上提高分子泵抽速和压缩比等性能指标。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种结构设计合理的低损耗、长寿命磁悬浮涡轮分子泵，采用了永磁偏置的混合磁轴承结构。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
一种低损耗磁悬浮涡轮分子泵，包括机壳、叶轮、五自由度磁轴承、高速快响应永磁驱动电机以及电机和磁轴承控制器。五自由度磁轴承是由上径向永磁偏置混合磁轴承、下三自由度轴径向一体化永磁偏置混合磁轴承、上径向位移传感器、下径向位移传感器和下轴向位移传感器组成。所述的上径向永磁偏置混合磁轴承、下三自由度轴径向一体化永磁偏置混合磁轴承和高速快响应永磁驱动电机均是由定子和转子组成。定子在转子的外部，具有不同大小的间隙。转轴上端面和叶轮配合通过螺钉固定构成分子泵的转子。
其中，上径向永磁偏置混合磁轴承定子和转子铁芯叠层是由0.15mm～0.5mm的硅钢片叠压成型，定子采用8磁极、12磁极或16磁极，并在磁极上通过绕制线圈成型，通过环形高能量密度的稀土永磁体实现磁路偏置，环形永磁体与定子铁芯下端面和机壳内表面相配合。转子铁芯由环形的0.15mm～0.5mm的硅钢片叠压成型。该结构的优点是相比纯电磁结构，具有更低的电磁损耗，更高的能量密度。
其中，下三自由度轴径向一体化永磁偏置混合磁轴承定子和转子铁芯叠层是由0.15mm～0.5mm的硅钢片叠压成型，定子采用8磁极、12磁极或16磁极，并在磁极上通过绕制线圈成型，轴向磁轴承和径向磁轴承之间通过四个分块环形高能量密度的稀土永磁体实现磁路偏置，环形永磁体设置在径向磁轴承和轴向磁轴承之间。该结构的优点是采用轴径一体化磁轴承可大大减小转子的轴向长度，进而提高转子的弯曲临界转速，使得分子泵可实现更高的转速。同时该结构具有更低的电磁损耗，可大大减小因损耗而引起的温升。
其中，高速快响应永磁驱动电机，电机定子铁芯采用0.15mm～0.5mm的硅钢片叠压成型，在定子铁芯绕制铜漆包线圈而成，电机转子采用环形高能量密度稀土永磁体粘贴于轴表面，永磁体外表面通过高强度的合金护套或碳纤维护套通过过盈配合成型。这种表贴式永磁电机的优点是具有更好的力学强度特性和更高的功率能量密度，为分子泵实现超高速运行提供保障。
其中，上径向位移传感器、下径向位移传感器和下轴向位移传感器采用电涡流或电感位移传感器。该结构的优点是精度高、测量范围广、灵敏度高和抗干扰能力强等。
其中，叶轮采用高强度铝合金材料，通过铣削一次成型，叶片的上下边缘设有螺钉孔，用来平衡转子材料和加工产生的不平衡质量。该结构的优点是一次成型技术大大提高的转子的力学可靠性，有利于提高分子泵转子的转速和抽气性能。
其中，电机和磁轴承控制器具体包括：磁轴承PID稳定控制器和电机变频控制器。该结构的优点是控制器可以完成分子泵运行时所需要的转速变频控制和转子位移的平衡调节、信号反馈等。
其中，转子组件由叶轮、电机转子护套和永磁体、上径向磁轴承转子铁芯叠层、下径向转子铁芯叠层组成、轴向定位套和轴向锁紧螺母组成。
本发明与现有传统技术相比的优点是：
1.本发明采用了永磁偏置混合磁轴承技术和轴径向一体化技术可大大减小转子的轴向长度，进而提高转子的弯曲临界转速，使得分子泵可实现更高的转速。同时该结构具有更低的电磁损耗，可大大减小因损耗而引起的温升。由于磁轴承具有无摩擦、无油污染、可实现任意角度安装等优点。
2.本发明叶轮采用一次成型技术和不平质量调整螺纹孔，可大大减小转子在高速运行时产生的不平衡质量，降低转子的振动和噪音。
附图说明
图1为本发明的一种低损耗磁悬浮分子泵结构示意图；
图2为本发明的永磁偏置径向磁轴承结构示意图；
图3为本发明的三自由度轴径一体化磁轴承结构示意图；
图4为本发明的一次成型叶轮结构示意图。
附图标号说明：1为叶轮，2为转子，3为上径向位移传感器，4为上径向永磁偏置混合磁轴承，5为高速快响应永磁驱动电机，6为下三自由度轴径向一体化永磁偏置混合磁轴承，7为机壳，8为下轴向位移传感器，9为电机和磁轴承控制器，10为上径向永磁偏置混合磁轴承定子和转子铁芯叠层，11为上径向磁轴承稀土永磁体，12为上径向磁轴承线圈，13为下三自由度轴径向一体化永磁偏置混合磁轴承定子和转子铁芯叠层，14为下径向位移传感器，15为下轴径一体化磁轴承分块稀土永磁体，16为下轴径一体化磁轴承线圈。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明是一种低损耗磁悬浮分子泵，其主要由机壳7、叶轮1、五自由度磁轴承、高速快响应永磁驱动电机5、电机和磁轴承控制器9组成。所述的五自由度磁轴承是由上径向永磁偏置混合磁轴承4、下三自由度轴径向一体化永磁偏置混合磁轴承6、上径向位移传感器3、下径向位移传感器14和下轴向位移传感器8组成。
叶轮1与转子2通过螺钉配合连接，上径向永磁偏置混合磁轴承4和高速快响应高速永磁驱动电机5的定子内表面、上径向位移传感器3、下径向位移传感器14分别在转子2的外围，上径向永磁偏置混合磁轴承4和高速快响应高速永磁驱动电机5的定子外表面、上径向位移传感器3、下径向位移传感器14的外表面分别与机壳7配合，下三自由度轴径向一体化永磁偏置混合磁轴承6的径向磁轴承内表面在转子2外围，下三自由度轴径向一体化永磁偏置混合磁轴承6的径向磁轴承外表面与机壳配合7配合，下三自由度轴径向一体化永磁偏置混合磁轴承6的轴向在转子2轴向推力盘的外围，下轴向位移传感器8在转子2轴向锁紧螺母外围。
上径向永磁偏置混合磁轴承定子和转子铁芯叠层10是由0.15mm～0.5mm的硅钢片叠压成型，定子采用8磁极、12磁极或16磁极，并在磁极上通过绕制线圈12成型，通过环形高能量密度的稀土永磁体实现磁路偏置，环形永磁体11与定子铁芯下端面和机壳内表面相配合。转子铁芯由环形的0.15mm～0.5mm的硅钢片叠压成型。
下三自由度轴径向一体化永磁偏置混合磁轴承定子和转子铁芯叠层13是由0.15mm～0.5mm的硅钢片叠压成型，定子采用8磁极、12磁极或16磁极，并在磁极上通过绕制下轴径一体化磁轴承线圈16成型，轴向磁轴承和径向磁轴承之间通过四个分块永磁体15实现磁路偏置，环形永磁体设置在径向磁轴承和轴向磁轴承之间。
高速快响应永磁驱动电机5，电机定子铁芯采用0.15mm～0.5mm的硅钢片叠压成型，在定子铁芯绕制铜漆包线圈而成，电机转子采用环形高能量密度稀土永磁体粘贴于轴表面，永磁体外表面通过高强度的合金护套或碳纤维护套通过过盈配合成型。
在本实施例中，上径向位移传感器3、下径向位移传感器14和下轴向位移传感器8采用电涡流或电感位移传感器。
在本实施例中，叶轮1采用高强度铝合金材料，通过铣削一次成型，叶片的上下边缘设有螺钉孔，用来平衡转子材料和加工产生的不平衡质量。
在本实施例中，电机和磁轴承控制器9通过信号接头与分子泵连通，具体包括：磁轴承PID稳定控制器和电机变频控制器。
转子组件由叶轮1、电机转子护套和永磁体、上径向磁轴承转子铁芯叠层、下径向转子铁芯叠层组成、轴向定位套和轴向锁紧螺母组成。
此外，需要指出本发明中所述的部件名称和形状可以不同，凡是依本发明专利构思所述的构造、特征和原理所做的修改、补充和改进，均应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种低损耗磁悬浮涡轮分子泵，其特征是：该涡轮分子泵包括机壳(7)、叶轮(1)、五自由度磁轴承、高速快响应永磁驱动电机(5)以及电机和磁轴承控制器(9)，所述的五自由度磁轴承是由上径向永磁偏置混合磁轴承(4)、下三自由度轴径向一体化永磁偏置混合磁轴承(6)、上径向位移传感器(3)、下径向位移传感器(14)和下轴向位移传感器(8)组成，所述的上径向永磁偏置混合磁轴承(4)、下三自由度轴径向一体化永磁偏置混合磁轴承(6)和高速快响应永磁驱动电机(5)均是由定子和转子组成，定子在转子的外围，具有不同大小的间隙，转轴上端面和叶轮(1)配合通过螺钉固定构成该涡轮分子泵的转子(2)；其中叶轮(1)与转子(2)通过螺钉配合连接，上径向永磁偏置混合磁轴承(4)和高速快响应高速永磁驱动电机(5)的定子内表面、上径向位移传感器(3)、下径向位移传感器(14)分别在转子(2)的外围，上径向永磁偏置混合磁轴承(4)和高速快响应高速永磁驱动电机(5)的定子外表面、上径向位移传感器(3)、下径向位移传感器(14)的外表面分别与机壳(7)配合，下三自由度轴径向一体化永磁偏置混合磁轴承(6)的径向磁轴承内表面在转子(2)外围，下三自由度轴径向一体化永磁偏置混合磁轴承(6)的径向磁轴承外表面与机壳配合(7)配合，下三自由度轴径向一体化永磁偏置混合磁轴承(6)的轴向在转子(2)轴向推力盘的外围，下轴向位移传感器(8)在转子(2)轴向锁紧螺母外围；
上径向永磁偏置混合磁轴承定子和转子铁芯叠层(10)是由0.15mm～0.5mm的硅钢片叠压成型，定子采用8磁极、12磁极或16磁极，并在磁极上通过绕制线圈成型，通过环形高能量密度的稀土永磁体实现磁路偏置，环形永磁体与定子铁芯下端面和机壳内表面相配合；
下三自由度轴径向一体化永磁偏置混合磁轴承，定子和转子铁芯叠层(13)是由0.15mm～0.5mm的硅钢片叠压成型，定子采用8磁极、12磁极或16磁极，并在磁极上通过绕制线圈成型，轴向磁轴承和径向磁轴承之间通过四个分块环形高能量密度的稀土永磁体实现磁路偏置，环形永磁体设置在径向磁轴承和轴向磁轴承之间；
高速快响应永磁驱动电机(5)，电机定子铁芯采用0.15mm～0.5mm的硅钢片叠压成型，在定子铁芯绕制铜漆包线圈而成，电机转子采用环形高能量密度稀土永磁体粘贴于轴表面，永磁体外表面通过高强度的合金护套或碳纤维护套通过过盈配合成型。
2.根据权利要求1所述的一种低损耗磁悬浮涡轮分子泵，其特征是：上径向位移传感器(3)、下径向位移传感器(14)和下轴向位移传感器(8)采用电涡流或电感位移传感器。
3.根据权利要求1所述的一种低损耗磁悬浮涡轮分子泵，其特征是：叶轮(1)采用高强度铝合金材料，通过铣削一次成型，叶片的上下边缘设有螺钉孔，用来平衡转子材料和加工产生的不平衡质量。
4.根据权利要求1所述的一种低损耗磁悬浮涡轮分子泵，其特征是：电机和磁轴承控制器(9)具体包括：磁轴承PID稳定控制器和电机变频控制器。
5.根据权利要求1所述的一种低损耗磁悬浮涡轮分子泵，其特征是：转子组件由叶轮(1)、电机转子护套和永磁体、上径向磁轴承转子铁芯叠层、下径向转子铁芯叠层组成、轴向定位套、轴向推力盘和轴向锁紧螺母组成。
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