CN108457873A - 一种复合分子泵及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合分子泵及控制方法，其中的复合分子泵包括分子泵本体、控制器、磁悬浮轴承控制系统、永磁高速电机控制系统；所述控制器分别电性连接分子泵本体、磁悬浮轴承控制系统、永磁高速电机控制系统。本发明主动磁悬浮轴承采用集中反馈控制算法，以DSP为平台，实现主动磁轴承的数字控制系统。

Description

一种复合分子泵及控制方法

技术领域

本发明涉及真空获得设备，具体涉及一种混合磁轴承磁悬浮复合分子泵及控制方法。

背景技术

目前，分子泵是根据分子运动规律而设计的机械涡轮式真空获得设备，能够获得超高真空度，是加速器、电子对撞机、激光器等系统的必需设备，具有广泛的应用领域。其抽气机理是，在分子流区域内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。从分子泵的抽气原理知：分子泵的转子叶片必须具有与气体分子速度相近的线速度，具有这样的高速度才能使气体分子与动叶片相碰撞后改变随机散射的特性而作定向运动。

分子泵主要应用于太阳能光伏发电产业、半导体产业、真空镀膜产业、蓝宝石屏产业及科研院所。例如，半导体芯片制造业中一些关键工艺，如等离子刻蚀、薄膜生长等都需要在高真空下完成，同时在加工过程中会有气体产生，从而引起真空度的大幅度降低，因而要求分子泵在较宽真空范围内有较大抽速以迅速提高真空度，需要分子泵经常在压强为几帕至几十帕时有较大的抽气能力。随着这些应用领域的不断发展和创新，要求分子泵也要随时跟上相应的技术水平，比如更小的体积、更低的功耗、360度无差别安装等。

现有的分子泵主要分为传统机械轴承支撑式分子泵和主动磁悬浮轴承支撑式分子泵。其中传统机械轴承支撑式分子泵在运行过程中，分子泵转子与机械轴承之间存在机械磨损，轴承需要定期更换，只能应用于低端产业且也在逐步被淘汰；而现有的主动磁悬浮轴承支撑式分子泵用来悬浮分子泵转子系统的磁力都由主动磁悬浮轴承提供，这个磁力不仅要克服转子系统的自身重力还要克服转子系统在高速运行过程中的扰动，所以发热会较大，同时为了适应分子泵能够实现360度任意安装这种安装方式，在设计过程中必须在径向和轴向都留有较大的电磁力余量以保证可以根据客户需要来安装调试分子泵，这样不仅浪费了设计空间也增加了设计成本，同时多方面的余量设计也最终增加了分子泵的损耗。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种复合分子泵及控制方法。

本发明采用的技术方案是：一种复合分子泵，包括分子泵本体、控制器、磁悬浮轴承控制系统、永磁高速电机控制系统；所述控制器分别电性连接分子泵本体、磁悬浮轴承控制系统、永磁高速电机控制系统；所述分子泵本体包括泵壳、叶轮、隔环、静片、牵引级定子、永磁高速电机、电磁主轴、循环水隔环、信号接头、上保护轴承、上径向传感器和被动磁力轴承组件、上径向主动磁力轴承、下径向主动磁力轴承、下径向传感器和被动磁力轴承组件、出气口法兰、保护气体法兰、上轴向混合磁力轴承、下轴向混合磁力轴承、下保护轴承、轴向传感器、推力盘；

所述复合分子泵包括两个径向混合磁悬浮轴承和两个轴向混合磁悬浮轴承：上径向主动磁力轴承、下径向主动磁力轴承、上轴向混合磁力轴承、下轴向混合磁力轴承；

所述的两个径向混合磁悬浮轴承由定子和转子组成，定子为4或4的倍数个磁极，由若干片0.15-0.5mm厚硅钢片叠压成型，在磁极上绕制线圈然后再在铁芯径向上镶嵌一圈永磁体加工而成；转子采用多片0.15-0.5mm厚的圆环形硅钢片叠压做成并套装到电磁主轴上；

所述的两个轴向混合磁悬浮轴承也由定子和转子组成，定子采用空心导磁铁芯、励磁线圈和永磁体组成；转子由实心导磁圆盘做成；

上径向传感器和被动磁力轴承组件和下径向传感器和被动磁力轴承组件中的径向传感器为电感式传感，其线圈缠绕在固定径向永磁体的径向轴承铁芯上，减小径向混合磁悬浮轴承的轴向空间；轴向传感器为电感式传感器；

电磁主轴由芯轴和各轴承转子组件构成；

两个径向混合磁悬浮轴承和两个轴向混合磁悬浮轴承通过磁力对电磁主轴进行五个自由度控制，使电磁主轴稳定的悬浮在轴承定子的几何中心，没有机械接触；其中两个径向混合磁悬浮轴承控制转子的四个空间自由度，包括控制转子在x方向、y方向的平动和绕x轴及y轴的转动，两个轴向磁力轴承控制转子的一个空间自由度，包括控制了转子在z方向的平动；除去绕z轴转动的自由度外，其余的五自由度都受到磁悬浮轴承的控制。

进一步地，所述的复合分子泵的控制方法，包括以下步骤：

S1，控制器接通电源，给磁悬浮分子泵系统供电；

S2，控制器先控制转子系统轴向悬浮；

S3，控制器控制转子系统上径向悬浮；

S4，控制器控制转子系统下径向悬浮；

S5，控制器控制转子系统整体悬浮，并找到转子系统在被动磁悬浮轴承系统的悬浮稳定中心；

S6，控制器控制转子系统运行，主动磁悬浮轴承系统通过传感器反馈信号，采用PID控制算法对转子系统运行轨迹加以校正。

本发明的优点：

本发明为了进一步减小设计空间，降低发热，转子系统驱动部分采用永磁电机，因此分子泵转子系统在主动磁悬浮轴承未通电情况下，受永磁电机磁场影响，静态时，转子系统会由保护轴承支承，当主动磁悬浮轴承通电之后，主动磁悬浮轴承会输出一个磁力帮助被动磁悬浮轴承克服电机磁场产生的磁偏拉力并找到平衡点，最终将分子泵转子系统悬浮于磁悬浮轴承系统的悬浮中心。当分子泵开始运行后，主动磁悬浮轴承通过传感器系统检测转子系统的运行情况，转子转动过程中，转子距离传感器磁极位置的距离不一样，就会产生不同的电压值，通过数电模电转化，将传感器检测到的实时位移信号经过电路转换，最后由控制器给出控制信号使主动磁悬浮轴承实时调整各个方向的电磁力，使得转子系统能够始终围绕其旋转几何中心的旋转运行。

本发明的控制器的控制方法是建立电磁学原理的基础上，由磁力轴承的结构模型推导出电磁承载力公式，在此基础上进一步推导出磁力轴承的数学模型，结合转子动力学理论，建立集中控制模型。根据电磁轴承对数字控制器所提出的要求，采用以DSP处理器为核心的硬件方案设计。根据主动磁轴承系统中对功率放大器的设计要求，开发了相应的PWM功率放大器。在这些硬件系统的基础上，采用数字控制器的软件设计，应用了状态空间反馈控制算法、数字滤波、硬件滤波和数据通信控制。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明的一种复合分子泵的结构图；

图2是本发明的一种复合分子泵的径向传感器混合被动磁力轴承结构示意图结构示意图；

图3是本发明的一种复合分子泵的控制方法流程图；

图4是本发明的一种复合分子泵的磁悬浮轴承控制算法框图。

附图标记：

1为泵壳、2为叶轮、3为隔环、4为静片、5为牵引级定子、6为永磁高速电机、7为电磁主轴、8为循环水隔环、9为信号接头、10为上保护轴承、11为上径向传感器和被动磁力轴承组件、12为上径向主动磁力轴承、13为下径向主动磁力轴承、14为下径向传感器和被动磁力轴承组件、15为出气口法兰、16为保护气体法兰、17为上轴向混合磁力轴承、18为下轴向混合磁力轴承、19为下保护轴承、20为轴向传感器、21为推力盘、22为永磁体、23为线圈。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参考图1，如图1所示，一种复合分子泵，包括分子泵本体、控制器、磁悬浮轴承控制系统、永磁高速电机控制系统；所述控制器分别电性连接分子泵本体、磁悬浮轴承控制系统、永磁高速电机控制系统；所述分子泵本体包括泵壳1、叶轮2、隔环3、静片4、牵引级定子5、永磁高速电机6、电磁主轴7、循环水隔环8、信号接头9、上保护轴承10、上径向传感器和被动磁力轴承组件11、上径向主动磁力轴承12、下径向主动磁力轴承13、下径向传感器和被动磁力轴承组件14、出气口法兰15、保护气体法兰16、上轴向混合磁力轴承17、下轴向混合磁力轴承18、下保护轴承19、轴向传感器20、推力盘21；

所述复合分子泵包括两个径向混合磁悬浮轴承和两个轴向混合磁悬浮轴承：上径向主动磁力轴承12、下径向主动磁力轴承13、上轴向混合磁力轴承17、下轴向混合磁力轴承18；

所述的两个径向混合磁悬浮轴承由定子和转子组成，定子为4或4的倍数个磁极，由若干片0.15-0.5mm厚硅钢片叠压成型，在磁极上绕制线圈然后再在铁芯径向上镶嵌一圈永磁体加工而成；转子采用多片0.15-0.5mm厚的圆环形硅钢片叠压做成并套装到电磁主轴上；

所述的两个轴向混合磁悬浮轴承也由定子和转子组成，定子采用空心导磁铁芯、励磁线圈和永磁体组成；转子由实心导磁圆盘做成；

上径向传感器和被动磁力轴承组件11和下径向传感器和被动磁力轴承组件14中的径向传感器为电感式传感，其线圈缠绕在固定径向永磁体的径向轴承铁芯上，减小径向混合磁悬浮轴承的轴向空间；轴向传感器20为电感式传感器；

电磁主轴7由芯轴和各轴承转子组件构成；

两个径向混合磁悬浮轴承和两个轴向混合磁悬浮轴承通过磁力对电磁主轴进行五个自由度控制，使电磁主轴稳定的悬浮在轴承定子的几何中心，没有机械接触；其中两个径向混合磁悬浮轴承控制转子的四个空间自由度，包括控制转子在x方向、y方向的平动和绕x轴及y轴的转动，两个轴向磁力轴承控制转子的一个空间自由度，包括控制了转子在z方向的平动；除去绕z轴转动的自由度外，其余的五自由度都受到磁悬浮轴承的控制。

参考图2，如图2所示，所述的复合分子泵的控制方法，包括以下步骤：

S1，控制器接通电源，给磁悬浮分子泵系统供电；

S2，控制器先控制转子系统轴向悬浮；

S3，控制器控制转子系统上径向悬浮；

S4，控制器控制转子系统下径向悬浮；

S5，控制器控制转子系统整体悬浮，并找到转子系统在被动磁悬浮轴承系统的悬浮稳定中心；

S6，控制器控制转子系统运行，主动磁悬浮轴承系统通过传感器反馈信号，采用PID控制算法对转子系统运行轨迹加以校正。

本发明提供了一种新型的混合磁悬浮轴承技术及其制造方法。

本发明的混合磁悬浮轴承有4个，包括两个径向混合磁悬浮轴承和两个轴向混合磁悬浮轴承。径向混合磁悬浮轴承由定子和转子组成，定子采用4或4的倍数个磁极方案，由多片0.15-0.5mm厚硅钢片叠压成型，在磁极上绕制线圈然后再在铁芯径向上镶嵌一圈永磁体加工而成；转子采用多片0.15-0.5mm厚的圆环形硅钢片叠压做成并套装到电磁主轴上。轴向混合磁悬浮轴承也由定子和转子组成，定子采用空心导磁铁芯、励磁线圈和永磁体组成；转子由实心导磁圆盘做成。径向传感器采用电感式传感，其线圈缠绕在固定径向永磁体的径向轴承铁芯上，从而减小了径向混合磁悬浮轴承的轴向空间。轴向传感器采用电感式传感器。电磁主轴由芯轴和各轴承转子组件构成，为提高主轴刚度，芯轴采用不导磁的高强度合金钢材料经多次退火处理完成。四个混合磁悬浮轴承通过磁力对电磁主轴进行五个自由度控制，使电磁主轴稳定的悬浮在轴承定子的几何中心，没有任何机械接触。其中两个径向混合磁悬浮轴承控制了转子的四个空间自由度，即控制了转子在x方向、y方向的平动和绕x轴及y轴的转动，两个轴向磁力轴承控制了转子的一个空间自由度，即控制了转子在z方向的平动。这样除去绕z轴转动的自由度外，其余的五自由度都受到了磁悬浮轴承的控制。

本发明的控制方法如下:本发明采用混合磁悬浮轴承，即由永磁体组成的被动磁悬浮轴承和由电磁铁芯加线圈组成的主动磁悬浮轴承通过合理的设计组成。其中被动磁悬浮轴承具有占用空间小，磁场密度高和不存在发热损耗的优点，但是同时也具有抗扰动能力小，不受控制的缺点；而主动磁悬浮轴承则具有主动可控，并能根据设计排除一切扰动的优点，但是其同时具有占用空间大，高速旋转情况下会持续产生热量。本发明根据分子泵实际使用情况，结合了这两种轴承的优点，最小化压缩了这两种轴承的缺点。本发明中，鉴于被动磁悬浮轴承占用空间小且磁场密度高的特性，考虑到磁悬浮分子泵转子系统在整个系统中重量相对较大，需要较大的磁力来平衡转子系统的重力，而且这个重力会随着磁悬浮分子泵的安装角度的变化而会已不同大小的比例分解到径向和轴向磁悬浮轴承上面，如果仅仅采用主动磁悬浮轴承，考虑到安装方式不确定，为了适应各种安装方式，就要给主动磁悬浮轴承设计出较大的余量，也就是要大大增加主动磁悬浮轴承的承载力，这样随着安装方式的不一样，一定会造成至少有一个方向磁悬浮轴承留出的余量过大，这种设计方案不仅会加大磁悬浮系统的体积也会在不同的安装角度下浪费磁悬浮轴承的性能，同时也会增加转子系统的轴径向比例，不利于磁悬浮转子系统的运行稳定性，综合考虑本发明中采用被动磁悬浮轴承来提供分子泵转子系统的静态悬浮磁力，也就是通过永磁力来抵消转子系统的重力。而且永磁体磁场密度高，可以用尽量小的体积实现大重量转子系统的静态支承。通过被动磁悬浮轴承提供分子泵转子系统的静态悬浮磁力，分子泵不管怎么安装都不需要主动磁悬浮轴承输出磁力来提供磁力，这样就大大减小了发热。

由于被动磁悬浮轴承只能实现静态支承或低速支承，只要外界有点扰动就容易失去平衡，本发明同时应用了主动磁悬浮轴承。在本发明中，主动磁悬浮轴承主要为了抑制磁悬浮分子泵在运行过程中自身产生和外界带来的扰动，保证磁悬浮分子泵能够平稳的高速运行，由于主动磁悬浮轴承不再需要提供足够的磁力来平衡分子泵转子系统的重力，其体积可以设计的比纯用主动磁悬浮轴承小很多，正好这多出来的空间可以安装相应的传感器和被动磁悬浮轴承的永磁体。本发明中的主动磁悬浮轴承采用集中反馈控制算法，以DSP为平台，实现主动磁轴承的数字控制系统。

本发明为了进一步减小设计空间，降低发热，转子系统驱动部分采用永磁电机，因此分子泵转子系统在主动磁悬浮轴承未通电情况下，受永磁电机磁场影响，静态时，转子系统会由保护轴承支承，当主动磁悬浮轴承通电之后，主动磁悬浮轴承会输出一个磁力帮助被动磁悬浮轴承克服电机磁场产生的磁偏拉力并找到平衡点，最终将分子泵转子系统悬浮于磁悬浮轴承系统的悬浮中心。当分子泵开始运行后，主动磁悬浮轴承通过传感器系统检测转子系统的运行情况，转子转动过程中，转子距离传感器磁极位置的距离不一样，就会产生不同的电压值，通过数电模电转化，将传感器检测到的实时位移信号经过电路转换，最后由控制器给出控制信号使主动磁悬浮轴承实时调整各个方向的电磁力，使得转子系统能够始终围绕其旋转几何中心的旋转运行。

本发明的控制器的控制方法是建立电磁学原理的基础上，由磁力轴承的结构模型推导出电磁承载力公式，在此基础上进一步推导出磁力轴承的数学模型，结合转子动力学理论，建立集中控制模型。根据电磁轴承对数字控制器所提出的要求，采用以DSP处理器为核心的硬件方案设计。根据主动磁轴承系统中对功率放大器的设计要求，开发了相应的PWM功率放大器。在这些硬件系统的基础上，采用数字控制器的软件设计，应用了状态空间反馈控制算法、数字滤波、硬件滤波和数据通信控制。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种复合分子泵，其特征在于，包括分子泵本体、控制器、磁悬浮轴承控制系统、永磁高速电机控制系统；所述控制器分别电性连接分子泵本体、磁悬浮轴承控制系统、永磁高速电机控制系统；所述分子泵本体包括泵壳(1)、叶轮(2)、隔环(3)、静片(4)、牵引级定子(5)、永磁高速电机(6)、电磁主轴(7)、循环水隔环(8)、信号接头(9)、上保护轴承(10)、上径向传感器和被动磁力轴承组件(11)、上径向主动磁力轴承(12)、下径向主动磁力轴承(13)、下径向传感器和被动磁力轴承组件(14)、出气口法兰(15)、保护气体法兰(16)、上轴向混合磁力轴承(17)、下轴向混合磁力轴承(18)、下保护轴承(19)、轴向传感器(20)、推力盘(21)；

所述复合分子泵包括两个径向混合磁悬浮轴承和两个轴向混合磁悬浮轴承：上径向主动磁力轴承(12)、下径向主动磁力轴承(13)、上轴向混合磁力轴承(17)、下轴向混合磁力轴承(18)；

所述的两个径向混合磁悬浮轴承由定子和转子组成，定子为4或4的倍数个磁极，由若干片0.15-0.5mm厚硅钢片叠压成型，在磁极上绕制线圈然后再在铁芯径向上镶嵌一圈永磁体加工而成；转子采用多片0.15-0.5mm厚的圆环形硅钢片叠压做成并套装到电磁主轴上；

所述的两个轴向混合磁悬浮轴承也由定子和转子组成，定子采用空心导磁铁芯、励磁线圈和永磁体组成；转子由实心导磁圆盘做成；

上径向传感器和被动磁力轴承组件(11)和下径向传感器和被动磁力轴承组件(14)中的径向传感器为电感式传感，其线圈缠绕在固定径向永磁体的径向轴承铁芯上，减小径向混合磁悬浮轴承的轴向空间；轴向传感器(20)为电感式传感器；

电磁主轴(7)由芯轴和各轴承转子组件构成；

两个径向混合磁悬浮轴承和两个轴向混合磁悬浮轴承通过磁力对电磁主轴进行五个自由度控制，使电磁主轴稳定的悬浮在轴承定子的几何中心，没有机械接触；其中两个径向混合磁悬浮轴承控制转子的四个空间自由度，包括控制转子在x方向、y方向的平动和绕x轴及y轴的转动，两个轴向磁力轴承控制转子的一个空间自由度，包括控制了转子在z方向的平动；除去绕z轴转动的自由度外，其余的五自由度都受到磁悬浮轴承的控制。

2.根据权利要求1所述的复合分子泵的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，控制器接通电源，给磁悬浮分子泵系统供电；

S2，控制器先控制转子系统轴向悬浮；

S3，控制器控制转子系统上径向悬浮；

S4，控制器控制转子系统下径向悬浮；

S5，控制器控制转子系统整体悬浮，并找到转子系统在被动磁悬浮轴承系统的悬浮稳定中心；

S6，控制器控制转子系统运行，主动磁悬浮轴承系统通过传感器反馈信号，采用PID控制算法对转子系统运行轨迹加以校正。