CN107061315B - 一种分子泵 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分子泵，包括，泵体，上电机座，主轴，为镜相对称结构，上、下安全轴承，上、下安全轴承座，上、下动叶轮，上、下静叶片组，电机，包括上、下电机定子及上、下电机转子，所述上、下电机定子均具有转矩绕组和悬浮绕组，该分子泵使用了钛合金叶片，重量轻，强度高，同时带来较高的一阶模态频率，提高了分子泵的极限转速；采用了镜像对称形状的的主轴及两个动叶轮、两个电机定子均为对称分布的设计，改善了主轴转动过程中的稳定性；同时在一个电机定子上集成了转矩绕组和悬浮绕组，有效缩短了主轴长度，突破了传统分子泵的极限转速限制，在高真空下据有更高的压缩比，使分子泵应用于极高真空成为可能。

Description

一种分子泵
技术领域
本发明属于本发明属于流体机械技术领域，尤其是应用于真空泵中，具体是涉及一种分子泵。
背景技术
在做机械运动的各类真空泵中，分子泵是一种结构缜密，工艺要求高的泵，其原理是靠高速运动的刚体表面传递给气体分子以动量，使气体分子在刚体表面的运动方向上产生定向流动，从而达到抽气的目的。
涡轮分子泵是由一系列动静相间的叶轮互相配合组成。每个叶轮的叶片与叶轮水平面成一定角度，动片和静片倾角方向相反。主轴120带动叶轮150在静止的定叶片间高速旋转，高速旋转的叶片和鼓桶等表面将动量传递给气体分子并使其产生定向运动，实现抽气目的。
分子泵的转子因为要具有极高的线速度，在运动中受离心力极大，对材料强度要求较高，随着分子泵转速的要求越来越高，转子所承受的离心力也越来越大，较软的铝合金已经逐渐无法满足强度要求，且抗腐蚀性差。同时分子泵大多使用机械轴承和磁轴承，机械轴承需要润滑，无可避免的带来有机物的污染，而且转速受到机械轴承的制约，同时使用磁轴承的分子泵受到转子一阶模态的限制事实上极限转速并没有超过机械轴承，受到限制的转速导致分子泵转子齿尖的线速度200-300m/s远小于分子常温热运动速度(500-1200m/s),压缩比和极限真空也受到了限制。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提供以下技术方案：
一种分子泵，包括，
泵体，包括：主泵体和两个泵壳，所述两个泵壳分别对称的固定在主泵体的上、下侧，每个泵壳均设有一个泵口，分别为进气口和排气口，主泵体上部设置有上电机座安装部；
上电机座，固定至所述上电机座安装部上；
主轴，为镜向对称结构，从上至下依次包括：动叶轮安装部、安全轴承接触部、电机转子安装部，所述主轴的中心轴线与所述泵体的中心线共线；
上、下安全轴承，主轴通过安全轴承接触部与上、下安全轴承的配合，由此可旋转的设置在所述泵体内；
上、下安全轴承座，上安全轴承座固定至上电机座，下安全轴承座固定至主泵体的下方；
上、下动叶轮，设于所述泵体内,并分别固定连接至所述主轴两端的动叶轮安装部上，与所述主轴形成轴系转子，其中所述动叶轮的轴线与所述主轴的中心轴线共线；
上、下静叶片组，分别包括与所述上、下动叶轮交替配合设置的多层静叶片；
电机，包括上、下电机定子及上、下电机转子，所述电机转子固定套设于所述主轴的电机转子安装部上，与所述轴系转子联动设置，所述上、下电机定子套在所述电机转子外侧。
进一步地，所述动叶轮包括本体及多层动叶片，所述多层动叶片在本体外周沿轴向依次布设，所述动叶片的层数与静叶片的层数相应，所述动叶片与所述静叶片沿轴向交替排列；
进一步地，所述动叶片由钛合金材料制成。
进一步地，所述分子泵还包括上、下定位环组，分别设置在上、下泵壳的内侧壁，其包括多层定位环，所述定位环的层数与静叶片的层数相应，每层定位环具有容纳静叶片的定位凹槽，槽深与静叶片厚度相同。
进一步地，所述分子泵还包括上、下调整环，所述上调整环设置在上定位环组与主泵体之间，所述下调整环设置在下定位环组之间，所述上、下调整环具有可调节的轴向尺寸，用于调节定位环的轴向位置。
进一步地，主轴还包括位于中间部位的Z轴位置控制盘，所述主泵体和所述上电机座分别包括z轴位置控制盘安装部，用于安装所述Z轴位置控制盘，所述Z轴位置控制盘包括设置在其上的Z轴磁体与Z轴位置传感器。
进一步地，所述Z轴位置传感器为一组对称的霍尔位移传感器。
进一步地，所述分子泵还包括上、下XY轴位移传感器，所述上电机座和所述主泵体上分别设置有一组XY轴位移传感器安装部，所述上、下XY轴位移传感器分别通过所述上电机座和所述主泵体上的XY轴位移传感器安装部固定在主轴周围，且所述上、下XY轴位移传感器的中心线互相垂直。
进一步地，所述上、下XY轴位移传感器均为一组对称霍尔位移传感器。
进一步地，所述上、下电机定子均具有转矩绕组和悬浮绕组，且悬浮绕组的极对数(P1)和转矩绕组的极对数(P2)满足P2＝P1±1。
有益效果：本发明中提供的一种分子泵，(1)使用了钛合金叶片，重量轻，强度高，设计容易，加工方便，具有极高的机械强度和抗腐蚀性，同时带来较高的一阶模态频率，提高了分子泵的极限转速；(2)采用了镜像对称形状的的主轴及两个动叶轮、两个电机定子均为对称分布的设计，改善了主轴转动过程中的稳定性；(3)同时在一个电机定子上集成了转矩绕组和悬浮绕组，省去了传统磁悬浮分子泵中占用了很大一部分主轴长度的分离式磁悬浮轴承，有效缩短了主轴长度，提高了主轴的一阶模态频率，突破了传统分子泵的极限转速限制，可以达到10-15w每分钟转速，使叶齿尖端具有更高的线速度，本发明在高真空下据有更高的压缩比，使分子泵应用于极高真空成为可能。
附图说明
图1为本发明提供的一种分子泵的结构示意图；
图2为本发明提供的主轴的结构示意图；
图3为本发明提供的主泵体的结构示意图；
图4本发明提供的泵壳的结构示意图；
图5为本发明提供的上电机座的结构示意图；
图6为本发明提供的安全轴承座的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
如图1所示，本发明提供了一种分子泵，包括，
泵体，包括：主泵体101和两个泵壳102，所述两个泵壳102分别对称的固定在主泵体101的上、下侧，每个泵壳102均设有一个泵口1021，主泵体101上部设置有上电机座安装部1011；
泵壳102材料可为不锈钢，泵壳102上与主泵体101接触位置处设置有密封槽1022，两者之间可通过橡胶圈密封或软金属丝密封，在本发明提供的一种实施例中，泵壳102上设置有螺丝孔1023，通过螺丝与主泵体101连接。
所述主泵体101上设置有多个导流气体通道1012，所述主泵体101的一侧具有一个控制线接口刀口法兰1013，该法兰为CF可烘烤标准法兰，可连接插头或分子泵控制器等；所述主泵体101可由不锈钢或铝合金材料制成，所有尺寸均满足标准的平行度、同心度和平面度要求。
上电机座110，固定至所述上电机座安装部1011上；所述上电机座110可由铝合金或不锈钢材料制成，所有尺寸均满足标准的平行度、同心度和平面度要求。
主轴120，为镜向对称结构，从上至下依次包括：动叶轮安装部121、安全轴承接触部122、电机转子安装部123，所述主轴120可旋转的设置在所述泵体内，且所述主轴120的中心轴线与所述泵体的中心线共线；优选地，所述主轴120可由高强度钢材料制成，通过车磨工艺加工并附以化学抛光，使用去除材料法做动平衡，参照图2，主轴120上加工有螺丝孔用于安装动叶轮150；
上、下安全轴承130，主轴120通过安全轴承接触部122与上、下安全轴承130的配合，由此可旋转的设置在所述泵体内；优选的，当分子泵运转时忽然断绝一切电源供应，导致主轴120和动叶轮150跌落时，安全轴承130可以承受至少5次以上此类跌落而不至于损坏。
上、下安全轴承座140，上安全轴承座140固定至上电机座110，下安全轴承座140固定至主泵体101的下方；其中，所述上、下安全轴承座140上均设有安全轴承安装部141、安全轴承挡圈安装部142，分别用于固定安装安全轴承及轴承挡圈。
上、下动叶轮150，设于所述泵体内,并分别固定连接至所述主轴120两端的动叶轮安装部121上，与所述主轴120形成轴系转子，其中所述动叶轮150的轴线与所述主轴120的中心轴线共线；优选地所述上、下动叶轮150通过螺丝固定在主轴120上；
上、下静叶片组160，分别包括与所述动叶轮150交替配合设置的多层静叶片；静叶片径向截面可为圆形，每层所含静叶片叶齿的倾斜角度相同，不同层静片的叶齿倾斜角度可以不同。
电机，包括上、下电机定子171及电机转子172，所述电机转子172固定套设于所述主轴120的电机转子安装部123上，与所述轴系转子联动设置，所述上、下电机定子171套在所述电机转子172外侧。其中，电机转子172安装在主轴120上可采用表贴式、内插式和内埋式磁钢，磁钢数目大于2，同时电机转子172表面采用高强度钢或碳纤维桶保护高转速下不会导致转子结构损坏。
进一步地，所述动叶轮150包括本体151及多层动叶片152，所述多层动叶片152在本体151外周沿轴向依次布设，所述动叶片152的层数与静叶片的层数相应，所述动叶片152与所述静叶片沿轴向交替排列，静叶片层数由动叶片152的层数决定，为相同或减少一层。
具体地，所述动叶轮本体151的截面为圆形或圆环形，上下分布设置的多层动叶片152，环绕结合于动叶轮本体151圆形截面的中心圆盘周围，每层动叶片152包括多个叶齿，所述多个叶齿均匀分布在所述中心圆盘的圆周上，所述叶齿靠近所述中心圆盘的一端为齿根，所述叶齿远离所述中心圆盘的一端为齿端，厚度为齿端大于齿根，每层中叶齿具有相同的形状和厚度，每个叶齿与所述中心圆盘之间具有倾斜角(＜25°)；多个叶齿的数目和倾斜角度可以不同；叶齿较短，可保证了整体动叶轮150的一阶模态频率高于2000HZ。
优选地，所述动叶片152由钛合金材料制成；钛合金叶片，重量轻，强度高，设计容易，加工方便，具有极高的机械强度和抗腐蚀性，同时带来较高的一阶模态频率，提高了分子泵的极限转速。
进一步地，所述分子泵还包括上、下定位环组180，分别设置在上、下泵壳102的内侧壁，其包括多层定位环，所述定位环的层数与静叶片的层数相应，每层定位环具有容纳静叶片的定位凹槽，槽深与静叶片的厚度相同。
进一步地，所述分子泵还包括上、下调整环190，所述上调整环190设置在上定位环组180与主泵体101之间，所述下调整环190设置在下定位环组180之间，所述上、下调整环190具有可调节的轴向尺寸，用于调节定位环的轴向位置。
主轴还包括位于中间部位的Z轴位置控制盘124，所述主泵体和所述上电机座分别包括z轴位置控制盘安装部111，用于安装所述Z轴位置控制盘，所述Z轴位置控制盘包括设置在其上的Z轴磁体与Z轴位置传感器集成结构201。通过Z轴位置传感器测量Z轴位置控制盘124的位移，并将位移信号反馈回分子泵控制器，分子泵控制器向Z轴磁体发出控制信号，Z轴磁体对Z轴位置控制盘124产生吸力，以实现主轴120和动叶轮150在轴向位移Z轴的稳定悬浮。
进一步地，所述Z轴位置传感器为一组对称霍尔位移传感器。
进一步地，所述分子泵还包括上、下XY轴位移传感器210，所述安全轴承座140设置有一组XY轴位移传感器安装部143，所述上、下XY轴位移传感器210分别通过所述上电机座110和所述主泵体101上的XY轴位移传感器安装部143固定在主轴120周围，且所述上、下XY轴位移传感器210的中心线互相垂直。上、下XY轴位移传感器210用于测量主轴120的XY轴径向位移，并将位移信号反馈回分子泵控制器，分子泵控制器产生悬浮绕组控制信号，控制电机定子171中的悬浮绕组产生磁力作用于电机转子172，最终调节主轴120位置，以实现主轴120和动叶轮150在上下两组径向位移XY轴的稳定悬浮。
进一步地，所述上、下XY轴位移传感器210均为一组对称霍尔位移传感器。
进一步地，所述上、下电机定子171均具有转矩绕组和悬浮绕组，其中，转矩绕组用来产生电磁转矩，悬浮绕组产生可控悬浮力，改变磁场在气隙中的对称分布，使主轴120以及上、下动叶轮150在旋转过程中完全处于稳定的悬浮状态，且悬浮绕组的极对数(P1)和转矩绕组的极对数(P2)满足P2＝P1±1。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的装置及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种分子泵，包括，
泵体，包括：主泵体和两个泵壳，所述两个泵壳分别对称的固定在主泵体的上、下侧，每个泵壳均设有一个泵口，分别为进气口和排气口，主泵体上部设置有上电机座安装部；
上电机座，固定至所述上电机座安装部上；
主轴，为镜相对称结构，从上至下依次包括：动叶轮安装部、安全轴承接触部、电机转子安装部，所述主轴的中心轴线与所述泵体的中心线共线；
上、下安全轴承，主轴通过安全轴承接触部与上、下安全轴承的配合，由此可旋转的设置在所述泵体内；
上、下安全轴承座，上安全轴承座固定至上电机座，下安全轴承座固定至主泵体的下方；
上、下动叶轮，设于所述泵体内,并分别固定连接至所述主轴两端的动叶轮安装部上，与所述主轴形成轴系转子，其中所述动叶轮的轴线与所述主轴的中心轴线共线；
上、下静叶片组，分别包括与所述上、下动叶轮交替配合设置的多层静叶片；
电机，包括上、下电机定子及上、下电机转子，所述电机转子固定套设于所述主轴的电机转子安装部上，与所述轴系转子联动设置，所述上、下电机定子套在所述电机转子外侧。
2.如权利要求1所述的分子泵，其中，所述动叶轮包括本体及多层动叶片，所述多层动叶片在本体外周沿轴向依次布设，所述动叶片的层数与静叶片的层数相应，所述动叶片与所述静叶片沿轴向交替排列。
3.如权利要求2所述的分子泵，其中，所述动叶片由钛合金材料制成。
4.如权利要求1所述的分子泵，其中，所述分子泵还包括上、下定位环组，分别设置在上、下泵壳的内侧壁，其包括多层定位环，所述定位环的层数与静叶片的层数相应，每层定位环具有容纳静叶片的定位凹槽，槽深与静叶片厚度相同。
5.如权利要求4所述的分子泵，其中，所述分子泵还包括上、下调整环，所述上调整环设置在上定位环组与主泵体之间，所述下调整环设置在下定位环组之间，所述上、下调整环具有可调节的轴向尺寸，用于调节定位环的轴向位置。
6.如权利要求1所述的分子泵，其中，主轴还包括位于中间部位的Z轴位置控制盘，所述主泵体和所述上电机座分别包括z轴位置控制盘安装部，用于安装所述Z轴位置控制盘，所述Z轴位置控制盘包括设置在其上的Z轴磁体与Z轴位置传感器。
7.如权利要求6所述的分子泵，其中，所述Z轴位置传感器为一组对称的霍尔位移传感器。
8.如权利要求1所述的分子泵，其中，所述分子泵还包括上、下XY轴位移传感器，所述上电机座和所述主泵体上分别设置有一组XY轴位移传感器安装部，所述上、下XY轴位移传感器分别通过所述上电机座和所述主泵体上的XY轴位移传感器安装部固定在主轴周围，且所述上、下XY轴位移传感器的中心线互相垂直。
9.如权利要求7所述的分子泵，其中，所述上、下XY轴位移传感器均为一组对称霍尔位移传感器。
10.如权利要求1所述的分子泵，其中，所述上、下电机定子均具有转矩绕组和悬浮绕组，且悬浮绕组的极对数(P1)和转矩绕组的极对数(P2)满足P2＝P1±1。
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