DE60219842T2

DE60219842T2 - Vakuumpumpe mit Magnetlager

Info

Publication number: DE60219842T2
Application number: DE60219842T
Authority: DE
Inventors: Yasushi Chiba-shi Maejima; Masayoshi Chiba-shi Takamine
Original assignee: BOC Edwards Japan Ltd
Current assignee: Edwards Japan Ltd
Priority date: 2001-02-19
Filing date: 2002-02-08
Publication date: 2008-01-17
Anticipated expiration: 2022-02-09
Also published as: KR100707235B1; US20020113509A1; EP1233189A1; KR20020067993A; DE60219842D1; JP2002242876A; US6559568B2; EP1233189B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe mit Magnetlager, zum Beispiel eine Turbomolekularpumpe, die in einem Abzug einer Halbleiterherstellungsvorrichtung verwendet wird.
Mit der jüngsten abrupten Innovation industrieller und wissenschaftlicher Technologien ist zunehmend ein Bedarf an einer Vakuumvorrichtung gestiegen, die eine Hochvakuumumgebung erzielt.
Aus diesem Grund wurden verschiedene Vakuumpumpen entwickelt, die an jeweilige Zwecke angepasst werden können. Anforderungen an verschiedene Leistungen, die diese Vakuumpumpen aufweisen müssen, wie eine Abzugsmenge pro Zeiteinheit, ein zu erreichender Vakuumsgrad, und eine Unterdrückung von Vibrationen, wurden ebenso von Jahr zu Jahr schwerwiegender.
Da eine Vakuumpumpe mit Magnetlager diese verschiedenen Leistungen erfüllt und äußerst zuverlässig ist, wird sie allgemein in einem Abzug einer Halbleiterherstellungsvorrichtung, in einem Abzug für eine Vakuumpumpe einer wissenschaftlichen und wissenschaftlichen Technikstudie verwendet.
Die Vakuumpumpe mit Magnetlager ist dazu konstruiert, eine Welle unter Verwendung von Elektromagneten magnetisch schweben zu lassen und in einem kontaktlosen Zustand zu halten. Daher ist in den Lagerabschnitten kein Schmieröl erforderlich und somit besteht keine Gefahr, dass das Schmieröl in der Innenseite der Vakuumvorrichtung eingemischt wird. Ferner ist sie vollkommen frei von Problemen wie Reibung, Abrieb, Geräusch usw., und kann ferner die Welle bei einer hohen Drehzahl drehen.
In der Folge wird die Struktur der Vakuumpumpe mit Magnetlager kurz besprochen.
Die Vakuumpumpe mit Magnetlager besteht aus einem im Wesentlichen zylindrisches Gehäuse, einem Stator und einem Rotor, der in dem Gehäuse aufgenommen ist, usw..
Der Stator ist in einer inneren Umfangsfläche des Gehäuses gebildet, das eine Mehrzahl von Statorschaufeln aufweist, die in mehreren Stufen angeordnet sind und sich zu einer Zentrumsrichtung des Gehäuses erstrecken.
Eine Welle wird auf der Mittelachse des Gehäuses drehbar gehalten. Die Welle wird durch Magnetlager axial gestützt, die an dem Stator befestigt sind, so dass sie durch einen Motorabschnitt, der in dem im Wesentlichen zentralen Abschnitt der Welle gebildet ist, bei hoher Drehzahl drehbar ist.
Eine Ansaugöffnung ist an einem Ende des Gehäuses gebildet und ein Rotor ist an einem Ansaugöffnungsseitenabschnitt der Welle befestigt.
Eine Mehrzahl von radial angeordneten Rotorschaufeln ist um den Rotor in mehreren Stufen angebracht. Die Stufen der Rotorschaufeln und die Stufen der Statorschaufeln sind abwechselnd positioniert.
Wenn die Welle bei hoher Drehzahl durch den Motor gedreht wird, werden die Rotorschaufeln mit dieser Rotation gedreht. Wenn die Rotorschaufeln gedreht werden, saugt die Turbomolekularpumpe durch die Wirkung der Rotorschaufeln und der Statorschaufeln Gas durch die Ansaugöffnung und gibt das Gas durch eine Auslassöffnung, die in dem Gehäuse gebildet ist, ab.
4 zeigt einen Magnetlagerabschnitt, eine Welle und ihren Umfangsabschnitt in einer herkömmlichen Turbomolekularpumpe mit Magnetlager.
Der Magnetlagerabschnitt besteht aus vier Elektromagneten 130, die um eine Welle 111 mit vorbestimmten Zwischenräumen dazwischen angeordnet sind.
Die Elektromagneten 130 sind in einem winkeligen Intervall von 90 Grad um die Welle 11 verteilt, so dass sie dieser gegenüberliegen. Andererseits ist ein Abschnitt der Welle, der den Elektromagneten 130 gegenüberliegt, zu einem Elektromagnet-Target 129 gebildet. Das Elektromagnet-Target 129 ist so konstruiert, dass ringförmige Stahlplatten, deren Oberflächen isoliert sind, von der Welle 111 durchdrungen werden und an dieser befestigt sind.
Die Elektromagneten 130 ziehen das Elektromagnet-Target 129 durch Magnetkraft an, so dass die Welle 111 in radialer Richtung magnetisch schwebt und kontaktlos gehalten wird.
Da laminierte Stahlplatten, die das Elektromagnet-Target 129 bilden, voneinander isoliert sind, können Wirbelströme, die auf der Oberfläche der Welle 111 durch das Magnetfeld induziert werden, das durch die Elektromagneten 130 erzeugt wird, nicht über die Mehrzahl von laminierten Stahlplatten strömen.
Aus diesem Grund kann der Wirbelstromverlust, die Wärme, die an der Welle 111 durch die Wirbelströme erzeugt wird, und dergleichen unterdrückt werden.
Eine Spule 128 eines Radialsensors ist in der Nähe des Magnetlagerabschnitts bereitgestellt und von der Welle 111 mit einem vorbestimmten Zwischenraum beabstandet. Andererseits ist eine Oberfläche der Welle 111, die der Spule 128 gegenüberliegt, zu einem Radialsensor-Target 136 gebildet, das aus laminierten Stahlplatten besteht.
Die Spule 128 ist ein Teil einer oszillierenden Schaltung, die in einem Steuerabschnitt gebildet ist, der außerhalb der Turbomolekularpumpe installiert ist.
Wenn die oszillierende Schaltung oszilliert, fließt ein Hochfrequenzstrom mit der Oszillation durch die Spule 128, so dass die Spule 128 ein Hochfrequenzmagnetfeld an der Welle 111 erzeugt.
Wenn ein Abstand zwischen der Spule 128 und dem Radialsensor-Target 136 variiert wird, wird die oszillierende Breite des Oszillators variiert und somit kann die Verschiebung der Welle 111 erfasst werden.
Ein Kranz 135, der aus Metall wie rostfreiem Stahl, besteht, ist zwischen dem Radialsensor-Target 136 der Welle 111 und deren Elektromagnet-Target 129 gebildet. Da der Kranz 135 und die Elektromagneten 130 eng beieinander angeordnet sind, kann das Magnetfeld 134, das erzeugt wird, wenn die Elektromagneten 130 erregt werden, auch durch den Kranz 135 durchgehen.
Da jedoch der Kranz 135 kein Mittel hat, das Wirbelströme verhindert, das zum Beispiel aus laminierten Stahlplatten besteht, wird nicht nur der Kranz 135 durch den Wirbelstrom erwärmt, der von dem Magnetfeld 134 erzeugt sind, sondern es entsteht auch ein übermäßiger elektrischer Energieverbrauch aufgrund des Wirbelstromverlustes. Wenn ferner der Wirbelstrom in dem Kranz 135 erzeugt wird, übt dieser Wirbelstrom an der Welle 111 eine Kraft in eine Richtung aus, die die Rotation unterbricht.
Daher ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vakuumpumpe mit Magnetlager bereitzustellen, die die Erzeugung des Wirbelstroms an der Welle soweit unterdrücken kann, dass an der Welle eine geringe Wärme erzeugt wird und die Wirksamkeit effizient ist.
Die Europäische Patentschrift Nr. 0982500A , die Europäische Patentschrift Nr. 1041288A , die Deutsche Patentschrift Nr. 19931401A und die Europäische Patentschrift Nr. 1041287A offenbaren eine Pumpe, die in der Technik bekannt ist. Jede Pumpe umfasst ein Magnetlager zum Stützen einer Rotorwelle. Das Magnetlager umfasst radiale Elektromagneten zur Erzeugung einer Magnetkraft in radialer Richtung zu der Rotorwelle, Radialsensoren zum Erfassen der Position der Rotorwelle in radialer Richtung; axiale Elektromagneten zum Erzeugen einer Magnetkraft in axialer Richtung zu der Rotorwelle; und einen Axialsensor zum Erfassen der Position der Rotorwelle in axialer Richtung.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird zum Lösen der obengenannten Aufgaben eine Vakuumpumpe mit Magnetlager bereitgestellt, umfassend: ein zylindrisches Gehäuse, das mit einer Ansaugöffnung und einer Auslassöffnung gebildet ist; einen Stator, der in dem Gehäuse gebildet ist; eine Welle, deren Achse zur Drehung auf einer Mittelachse des Gehäuses gelagert ist; einen Rotor, der an der Welle befestigt ist, so dass er gemeinsam mit der Welle dreht; einen Motor zum Antreiben und Drehen der Welle; einen Magnetlagerabschnitt, der eine Mehrzahl von Elektromagneten enthält, die um einen vorbestimmten Abschnitt der Welle mit einem vorbestimmten Abstand zu der Welle angeordnet sind, sowie ein Elektromagnet-Target, das an einem Abschnitt der Welle gebildet ist, der den Elektromagneten gegenüberliegt; einen Radialsensorabschnitt, der in der Nähe des Magnetlagerabschnitts angeordnet ist und einen Radialsensor enthält, der um die Welle mit einem vorbestimmten Abstand zu dieser angeordnet ist, sowie ein Radialsensor-Target, das an einem Abschnitt der Welle gebildet ist, der dem Radialsensor gegenüberliegt; und einen Axiallagerabschnitt zum Halten der Welle in Längsrichtung; dadurch gekennzeichnet, dass laminierte Stahlplattenabschnitte, die durch Isolierungen laminiert sind, an der Welle zwischen dem Elektromagnet-Target und dem Radialsensor-Target gebildet sind (erste Struktur).
Die laminierten Stahlplattenabschnitte in einer ersten Struktur können Stahlplatten enthalten, die in einer Axialrichtung der Welle laminiert sind (zweite Struktur).
Das Elektromagnet-Target und das Radialsensor-Target in einer ersten oder einer zweiten Struktur können aus laminierten Stahlplatten gebildet sein, und die laminierten Stahlplattenabschnitte können integral mit dem Elektromagnet-Target und dem Radialsensor-Target gebildet sein (dritte Struktur).
Ferner kann die Stahlplatte nach einer der ersten bis dritten Struktur eine Siliziumstahlplatte enthalten (vierte Struktur).
Ebenso kann die Magnetlagerpumpe in einer der ersten bis vierten Struktur aus einer Turbomolekularpumpe mit Rotorschaufeln an dem Rotor und Statorschaufeln an dem Stator, einer Gewindepumpe mit einem Gewinde, das mindestens an einem vom dem Rotor und dem Stator gebildet ist, oder einer Vakuumpumpe mit Magnetlager bestehen, die die Turbomolekularpumpe an der Ansaugöffnungsseite und die Gewindepumpe an der Auslassöffnungsseite hat.
Es werden nun Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nur beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschreiben, von welchen:
1 eine Schnittansicht ist, die eine Struktur einer Turbomolekularpumpe zeigt.
2 eine Ansicht ist, die einen Magnetlagerabschnitt und dessen Umgebung der Turbomolekularpumpe zeigt.
3 eine Ansicht ist, die einen Kranz des Magnetlagerabschnitts vergrößert zeigt.
4 eine Ansicht ist, die einen herkömmlichen Magnetlagerabschnitt und dessen Umgebung der Turbomolekularpumpe zeigt.
In der Folge wird eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausführlich unter Bezugnahme auf 1 bis 3 beschrieben. Es ist zu beachten, dass in der vorliegenden Ausführungsform die Erfindung unter Verwendung einer Turbomolekularpumpe als Beispiel für eine Vakuumpumpe mit Magnetlager beschrieben wird.
1 ist eine Ansicht, die eine Turbomolekularpumpe gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt, die eine Schnittansicht in einer axialen Richtung einer Welle 11 ist.
Zusätzlich, obwohl in 1 nicht dargestellt, ist zum Beispiel eine Ansaugöffnung 6 der Turbomolekularpumpe 1 über ein Leitfähigkeitsventil (ein Ventil, dessen Querschnittsfläche eines Strömungskanals eines Rohres variiert, um eine Leitfähigkeit, d.h., eine Fließfähigkeit, eines Abzugsgases, einzustellen) an eine Vakuumvorrichtung, wie eine Halbleiterherstellungsvorrichtung angeschlossen, und eine Auslassöffnung 19 ist an eine Hilfspumpe angeschlossen.
Ein Gehäuse 16, das ein äußeres Gehäuse der Turbomolekularpumpe 1 bildet, hat eine zylindrische Form und die Welle 11 ist in dessen Mitte installiert. Das Gehäuse 16 bildet gemeinsam mit einer Basis 27, die in der Folge beschrieben wird, das äußere Gehäuse der Turbomolekularpumpe 1.
Magnetlagerabschnitte 8, 12 und 20 sind an einem oberen Abschnitt, einem unteren Abschnitt beziehungsweise einem Bodenabschnitt der Welle 11 in axialer Richtung bereitgestellt. Die Welle 11 wird von den Magnetlagerabschnitten 8 und 12 in radialer Richtung (in radialer Richtung der Welle 11) kontaktlos gehalten und von dem Magnetlagerabschnitt 20 in eine Schubrichtung (eine axiale Richtung der Welle 11) kontaktlos gehalten. Diese Magnetlagerabschnitte bilden ein sogenanntes Magnetlager mit Fünfachsensteuerung, und die Welle 11 hat nur einen Freiheitsgrad der Rotation um die Achse.
Der Magnetlagerabschnitt 8 besteht zum Beispiel aus vier Elektromagneten die in winkeligen Intervallen von 90 Grad um die Welle 11 so angeordnet sind, dass sie dieser gegenüberliegen.
An einem Abschnitt der Welle 11, der sich von dem Magnetlagerabschnitt 8 zu einem Radialsensor 9 erstreckt, ist ein Target 4 gebildet, das in der Folge beschrieben wird, so dass die Welle 11 durch Magnetkraft der Elektromagneten des Magnetlagerabschnitts 8 angezogen wird.
Das Target 4 besteht aus laminierten Stahlplatten, in welchen , eine große Anzahl von Stahlplatten, deren Oberflächen isolierende Beschichtungen aufweisen, in axialer Richtung der Welle 11 eine auf die andere laminiert sind. Diese Konstruktion ist bereitgestellt, um den Wirbelstrom zu unterdrücken, der auf der Oberfläche der Welle 11 aufgrund eines Magnetfeldes der Elektromagneten des Magnetlagerabschnitts 12 erzeugt wird. Die Einzelheiten dieser Konstruktion werden in der Folge beschrieben.
Es ist zu beachten, dass mit Wirbelstrom ein Spiralstrom gemeint ist, der in einem Metall gemäß der elektromagnetischen Induktionstheorie erzeugt wird, wenn ein Magnetfluss, der durch das Metall geht, relativ zu dem Metall bewegt wird.
Der Radialsensor 9 ist ein Element zum Erfassen einer Verschiebung der Welle in radialer Richtung, und besteht zum Beispiel aus einer Spule.
Diese Spule ist Teil einer oszillierenden Schaltung, die in einem nicht dargestellten Steuerabschnitt gebildet ist, der an der Außenseite der Turbomolekularpumpe 1 installiert ist. Ein Hochfrequenzstrom fließt durch den Radialsensor 9 mit der Oszillation der oszillierenden Schaltung, so dass der Radialsensor 9 ein Hochfrequenzmagnetfeld an der Welle 11 erzeugt.
Wenn ein Abstand zwischen dem Radialsensor und dem Target 4 variiert wird, wird eine Oszillationsbreite des Oszillators variiert, wodurch die Verschiebung der Welle 11 erfasst werden kann.
Es ist zu beachten, dass als Sensor zum Erfassen der Verschiebung der Welle 11 andere Arten, wie ein Kapazitätstyp und ein optischer Typ, verfügbar sind.
Wenn der Steuerabschnitt die Verschiebung der Welle 11 in radialer Richtung auf der Basis eines Signals von dem Radialsensor 9 erfasst, stellt der Steuerabschnitt die Magnetkraft jedes Elektromagneten des Magnetlagerabschnitts 8 so ein, dass die Welle 11 zu einer vorbestimmten Position zurückkehrt.
Auf diese Weise steuert der Steuerabschnitt den Magnetlagerabschnitt 8 durch Rückkopplung auf der Basis des Signals von dem Radialsensor 9. Dadurch kann die Welle 11 in radialer Richtung unter Verwendung des Magnetlagerabschnitts 8 mit vorbestimmten Abständen zu den Elektromagneten schweben und kontaktlos in einem Raum gehalten werden.
Die Konstruktion und der Betrieb des Magnetlagerabschnitts 12 sind dieselben wie bei dem Magnetlagerabschnitt 8.
Der Magnetlagerabschnitt 12 besteht zum Beispiel aus vier Elektromagneten, die in einem winkeligen Intervall von 90 Grad um die Welle 11 angeordnet sind.
Ein Abschnitt der Welle 11, der sich von dem Magnetlagerabschnitt 12 zu einem Radialsensor 13 erstreckt, ist zu einem Target 3 gebildet, das aus laminierten Stahlplatten besteht, so dass die Welle 11 durch die Magnetkraft der Elektromagneten des Magnetlagerabschnitts 12 angezogen wird.
Durch die Anziehungskraft der Elektromagneten des Magnetlagerabschnitts 12 wird die Welle 11 in radialer Richtung kontaktlos von dem Magnetlagerabschnitt 12 gehalten.
Der Radialsensor 13 erfasst die Verschiebung der Welle 11 in radialer Richtung.
Der Steuerabschnitt erfasst die Verschiebung der Welle 11 unter Verwendung des Radialsensors 13 zur Ausführung einer Steuerung durch Rückkopplung für einen Erregungsstrom zu den Elektromagneten, um dadurch die Welle 11 an einer vorbestimmten Position zu halten.
Dadurch kann die Welle 11 in radialer Richtung unter Verwendung des Magnetlagerabschnitts 12 schweben und kontaktlos in einem Raum gehalten werden.
Der Magnetlagerabschnitt 20, der an dem unteren Ende der Welle 11 bereitgestellt ist, besteht aus einer kreisförmigen plattenartigen Metallscheibe 26, Elektromagneten 14 und 15 und einem Schubsensor 17.
Die Metallscheibe 26 besteht aus einem Material hoher magnetischer Permeabilität, wie Eisen, und ist an ihrer Mitte senkrecht an der Welle 11 befestigt. Der Elektromagnet 14 ist über der Metallscheibe 26 installiert, und der Elektromagnet 15 ist unter der Metallscheibe 26 installiert. Der Elektromagnet 14 zieht die Metallscheibe 26 durch Magnetkraft nach oben, und der Elektromagnet 15 zieht die Metallscheibe 26 durch Magnetkraft nach unten.
Wenn die Magnetkräfte, die an die Metallscheibe 26 durch die Elektromagneten 14 und 15 angelegt werden, richtig eingestellt sind, kann die Welle 11 in Schubrichtung schweben und kontaktlos in einem Raum gehalten werden.
Der Schubsensor 17 besteht zum Beispiel aus einer Spule, ähnlich wie die Radialsensoren 9 und 13, um die Verschiebung der Welle 11 in die Schubrichtung zu erfassen und das Detektionssignal zu dem nicht dargestellten Steuerabschnitt zu leiten.
Der Steuerabschnitt kann die Verschiebung der Welle 11 in Schubrichtung bei Empfang des Signals erfassen, das von dem Schubsensor 17 zugeleitet wird.
Wenn die Welle 1 nach oben oder unten bewegt wird, so dass sich aus einer vorbestimmten Position in Schubrichtung verschoben wird, stellt der Steuerabschnitt Erregungsströme zu den Elektromagneten 14 und 15 zur Korrektur dieser Verschiebung ein, und um die Welle 11 in eine vorbestimmte Position zurückzustellen.
Unter dieser Rückkopplungssteuerung kann der Steuerabschnitt die Welle 11 an der vorbestimmten Position in Schubrichtung schweben lassen, um sie zu halten.
Wie zuvor beschrieben, wird die Welle 11 in radialer Richtung von den Magnetlagerabschnitten 8 und 12 gehalten und in Schubrichtung von dem Magnetlagerabschnitt 20 gehalten, wodurch sie um die Achse gedreht wird.
Ein Motorabschnitt 10 ist in der Mitte der Welle 11 zwischen den Magnetlagerabschnitten 8 und 12 gebildet.
In der vorliegenden Ausführungsform wird ein bürstenloser Gleichstrommotor als ein Beispiel für den Motorabschnitt 10 verwendet.
Ein Permanentmagnet ist um einen Abschnitt der Welle 11 befestigt, der den Motorabschnitt 10 bildet. Dieser Permanentmagnet ist zum Beispiel so befestigt, dass ein N-Pol und ein S-Pol in einem winkeligen Intervall von 180 Grad um die Welle 11 angeordnet sind. Zum Beispiel sind sechs Elektromagneten in einem winkeligen Intervall von 60 Grad um diesen Permanentmagneten mit vorbestimmten Abständen zu der Welle 11 angeordnet, so dass sie in Bezug auf die Achse der Welle 11 symmetrisch sind und dieser gegenüberliegen.
Andererseits ist die Turbomolekularpumpe 1 mit einem nicht dargestellten Sensor zum Erfassen einer Drehfrequenz und eines Drehungswinkels (einer Phase) der Welle 11 bereitgestellt, wodurch der Steuerabschnitt eine Position des Magnetpols des Permanentmagneten erfassen kann, der an der Welle 11 befestigt ist.
Der Steuerabschnitt schaltet der Reihe nach Ströme zu den Elektromagneten des Motorabschnitts 10 entsprechend der erfassten Position des Magnetpols, um dadurch das drehende Magnetfeld um den Permanentmagneten der Welle 11 zu erzeugen.
Der Permanentmagnet, der an der Welle 11 befestigt ist, folgt diesem drehenden Magnetfeld, und somit wird die Welle 11 gedreht.
Ein Rotor 24 ist an dem oberen Ende der Welle 11 mit mehreren Schrauben 25 befestigt.
Die Turbomolekularpumpe 1 der vorliegenden Ausführungsform ist zum Beispiel so gestaltet, dass ein Abschnitt des Rotors 24 von im Wesentlichen seiner Mitte zu einer Seite der Ansaugöffnung 6, das heißt, der im Wesentlichen obere halbe Abschnitt in der Zeichnung, aus einem Molekularpumpenabschnitt besteht, der Rotorschaufeln und Statorschaufeln enthält (in der Folge als Turbomolekularpumpenabschnitt bezeichnet), und der im Wesentlichen untere halbe Abschnitt in der Zeichnung aus einem Molekularpumpenabschnitt in der Form einer Gewindepumpe (in der Folge als Gewindepumpenabschnitt bezeichnet) besteht. Es ist zu beachten, dass die Struktur der Turbomolekularpumpe nicht darauf begrenzt sein soll, und eine Molekularpupe, die aus den Rotorschaufeln und Statorschaufeln von der Seite der Ansaugöffnung 6 zu der Seite der Auslassöffnung 19, oder aus den Gewinden besteht, oder eine andere Struktur aufweist, verwendet werden kann.
In dem Turbomolekularpumpenabschnitt, der sich in der Seite der Ansaugöffnung 6 des Rotors 24 befindet, sind die Rotorschaufeln 21, die aus einer Aluminiumlegierung oder dergleichen bestehen, in mehreren Stufen so angeordnet, dass sie sich radial von dem Rotor 24 mit einer Neigung in einem vorbestimmten Winkel in Bezug auf eine Ebene senkrecht zu der Achse der Welle 11 erstrecken. Die Rotorschaufeln 21 sind an dem Rotor 24 so befestigt, dass sich bei hoher Drehzahl gemeinsam mit der Welle 11 drehen.
In der Seite der Ansaugöffnung des Gehäuses 16 sind die Statorschaufeln 22, die aus einer Aluminiumlegierung oder dergleichen bestehen, so angeordnet, dass sie in einem vorbestimmten Winkel in Bezug auf die Ebene senkrecht zu der Achse der Welle 11 geneigt sind, so dass sie in das Innere des Gehäuses 16 gerichtet sind, und abwechselnd in bezug auf die Stufen der Rotorschaufeln 21 angeordnet sind.
Abstandshalter 23 sind ringförmige Elemente, die aus Metall, wie Aluminium, Eisen und einem rostfreien Stahl, bestehen.
Jeder Abstandshalter 23 ist zwischen den entsprechenden Stufen gebildet, die durch die Statorschaufeln 22 gebildet sind, um die Statorschaufeln 22 an vorbestimmten Positionen zu halten.
Wenn der Rotor 24 durch den Motorabschnitt 10 angetrieben wird, so dass er gemeinsam mit der Welle 11 dreht, wird das Abgas durch den Ansaugabschnitt 6 durch die Wirkung der Rotorschaufeln 21 und die Statorschaufeln 21 angesaugt.
Das Abgas, das durch die Ansaugöffnung 6 angesaugt wird, geht durch Spalte zwischen den Rotorschaufeln 21 und den Statorschaufeln 22 und wird in den Gewindepumpenabschnitt geleitet.
Der Gewindepumpenabschnitt besteht aus dem Rotor 24 und einem Gewindeabstandshalter 5.
Der Gewindeabstandshalter 5 ist ein zylindrisches Element, das aus einem Metall, wie Aluminium, rostfreiem Stahl und Eisen, besteht, und mehrere spiralförmige Gewinde 7 in mehreren Sätzen sind an seiner inneren Umfangsfläche gebildet.
Die Spiralrichtung der Gewinde 7 ist eine Richtung, in der die Moleküle des Abgases zu der Auslassöffnung 19 befördert werden, wenn die Moleküle in die Drehrichtung des Rotors 24 bewegt werden.
Die äußere Umfangsfläche des Rotors 24 ist in dem Gewindepumpenabschnitt zylindrisch gebildet.
Ferner ragt die äußere Umfangsfläche des Rotors 24 zu der inneren Umfangsfläche des Gewindeabstandhalters 5 so vor, dass sie nahe der inneren Umfangsfläche des Gewindeabstandshalters 5 mit einem vorbestimmten Zwischenraum liegt.
Wenn der Rotor 24 durch den Motorabschnitt 10 in Drehung versetzt wird, wird das Abgas, das von dem Turbomolekularpumpenabschnitt zugeführt wird, durch die Gewinde 7 so geführt, dass es zu der Auslassöffnung 19 geleitet wird.
Es ist zu beachten, dass, obwohl in der vorliegenden Ausführungsform der Gewindeabstandshalter mit den Gewinden 7 in der Statorseite angeordnet ist und die äußere Umfangsfläche des Rotors 24 zylindrisch gebildet ist, umgekehrt Gewinde in einer äußeren Umfangsfläche des Rotors gebildet sein können und ein Abstandshalter mit einer zylindrischen inneren Umfangsfläche um die äußere Umfangsfläche angeordnet sein kann.
Die Basis 27 ist ein scheibenförmiges Element, das einen Basisabschnitt der Turbomolekularpumpe 1 bildet, und besteht aus einem Metall, wie rostfreiem Stahl, Aluminium und Eisen.
Das Gehäuse 16 ist mit dem oberen Endabschnitt des äußeren Umfangsabschnitts der Basis 27 verbunden, und der Gewindeabstandshalter 5 ist in der Innenseite angeordnet. An dem mittleren Abschnitt sind Mechanismen zum Halten der Welle 11, wie die Magnetlagerabschnitte 8, 12 und 20, und der Motorabschnitt 10 installiert.
Ein Wasserkühlungsrohr 18 zum Zirkulieren eines Kühlwassers ist an dem unteren Abschnitt der Basis 27 so befestigt, dass ein Wärmetausch effizient zwischen dem Wasserkühlungsrohr 18 und der Basis 27 ausgeführt wird. Die Wärme, die zu der Basis 27 übertragen wird, kann durch das Kühlwasser, das im Inneren des Wasserkühlungsrohres 18 zirkuliert, effizient an eine Außenseite der Turbomolekularpumpe 1 abgegeben werden, wodurch verhindert wird, dass die Turbomolekularpumpe 1 über eine zulässige Temperatur erwärmt wird.
Das Wasserkühlungsrohr 18 bildet gemeinsam mit einer nicht dargestellten Wasserversorgungspumpe und einer nicht dargestellten Wärmetauscheinheit ein Wasserkühlsysteme. Durch die Wirkung der Wasserversorgungspumpe wird das Kühlwasser im Inneren des Wasserkühlungsrohres 18 in dem Wasserkühlsystem zirkuliert.
Ferner wird die Wärme, die durch den Wärmeaustausch mit der Basis 27 erhalten wird, durch die Wärmetauscheinheit an die Außenseite des Wasserkühlsystems, wie die Atmosphäre, abgegeben.
Dadurch wird das Kühlwasser gekühlt und erneut durch die Wasserversorgungspumpe der Turbomolekularpumpe 1 zugeführt.
2 ist eine Ansicht, die den Magnetlagerabschnitt 8 und seinen Umfangsabschnitt im Detail zeigt.
Die Elektromagneten 30 des Magnetlagerabschnitts 8 und die Spule 28, die den Radialsensor 9 bildet, sind mit vorbestimmten Abständen zu der Welle 11 angeordnet.
An einem Bereich der Welle 11, der von dem Magnetlagerabschnitt 8 zu dem Radialsensor 9 reicht, ist der Targetabschnitt 4, der aus den laminierten Stahlplatten besteht, gebildet.
Das Target 4 besteht aus einem Elektromagnet-Target 29, das den Elektromagneten gegenüberliegt, einem Radialsensor-Target 36, das der Spule 28 gegenüberliegt, und einem Kranz 35, der zwischen dem Elektromagnet-Target 29 und dem Radialsensor-Target 36 liegt.
Ferner sind das Elektromagnet-Target 29, der Kranz 35 und das Radialsensor-Target 36 integral aus den laminierten Stahlplatten gebildet.
Jede der Stahlplatten, die auf das Target 4 laminiert ist, ist eine ringförmige dünne Platte aus Stahl, auf deren Oberfläche eine isolierende Beschichtung gebildet ist.
Der Außendurchmesser des Abschnitts der Welle 11, wo das Target 4 gebildet ist, ist im Wesentlichen gleich dem Innendurchmesser der Stahlplatten gebildet. Der Ring der Stahlplatten ist an der Welle 11 durch Schrumpfpassung befestigt.
Das heißt, zum Zeitpunkt der Montage der Stahlplatten werden die Stahlplatten erwärmt, um den Innendurchmesser zu erhöhen, und dann an der Welle montiert, und danach werden die Stahlplatten gekühlt, um den Innendurchmesser zu verringern, um dadurch der Welle 11 und den Stahlplatten eine Presspassung zu verleihen und die Stahlplatten an der Welle 11 zu befestigen.
Wie zuvor beschrieben, sind die Stahlplatten in axialer Richtung der Welle 11 laminiert. Die Schichten, die durch diese Stahlplatten gebildet sind, haben aufgrund des Vorhandenseins der isolierenden Beschichtungen, die auf den Oberflächen der Stahlplatten gebildet sind, eine hohe Schichtbeständigkeit.
Die Elektromagneten 30 erzeugen das Magnetfeld 34, wenn ihnen Erregungsstrom zugeführt wird. Das Magnetfeld 34 geht durch die Welle 11 und induziert den Wirbelstrom auf der Oberfläche der Welle 11 entsprechend der elektromagnetischen Induktionstheorie.
Da jedoch die laminierten Stahlplatten, die das Target 4 bilden, durch die isolierenden Beschichtungen voneinander isoliert sind, fließt kein Wirbelstrom in die Richtung zwischen den Schichten. Aus diesem Grund ist es möglich, die Wärme, die an der Welle aufgrund der Erzeugung des Wirbelstroms erzeugt wird, und den Verlust an elektrischer Leistung aufgrund des Wirbelstromverlustes zu verringern.
Da ferner in der vorliegenden Ausführungsform der Kranz 35 auch aus den laminierten Stahlplatten besteht, kann der Wirbelstrom, der für gewöhnlich in dem Kranz 35 aufgrund des Magnetfeldes der Elektromagneten 30 erzeugt wird, unterdrückt werden.
Es ist zu beachten, dass das Magnetfeld, das durch die Spule 28 erzeugt wird, im Vergleich zu dem Magnetfeld, das durch die Elektromagneten 30 erzeugt wird, klein ist und daher nicht dargestellt ist.
3 ist eine Ansicht, die die Oberfläche des Kranzes 35 vergrößert zeigt.
Die Stahlplatten 33 sind mit den dazwischen liegenden isolierenden Beschichtungen 32 laminiert. Die Auf- und Abwärtsrichtung auf der Papierebene entspricht der axialen Richtung der Welle 11.
Die Stahlplatten 33 sind zum Beispiel eine Siliziumstahlplatte, die etwa 4% Silizium enthält und eine Dicke von 0,35 mm aufweist. Auf der Oberfläche der Stahlplatte 33 ist die isolierende Beschichtung 32 so gebildet, dass die benachbarten laminierten Stahlplatten 33 voneinander isoliert sind. Die Stahlplatte 33 ist von derselben Art wie ein Siliziumstahlplattenmaterial, das allgemein in einem Eisenkern eines Transformators verwendet wird.
In dem Kranz 35 werden die Wirbelströme 31 aufgrund des Einflusses des Magnetfeldes erzeugt, das durch die Elektromagneten 30 und die Spule 28 erzeugt wird.
Die Wirbelströme treten in den entsprechenden laminierten Stahlplatten 33 auf, da die laminierten Stahlplatten 33 voneinander durch die isolierenden Beschichtungen 32 isoliert sind. Folglich tritt kein starker Wirbelstrom über den Stahlplatten 33 auf.
Da die Stahlplatten 33 näher beieinander liegen, wird der Magnetfluss, der durch die benachbarten Stahlplatten geht, im Wesentlichen identisch. Aus diesem Grund sind die Wirbelströme 31, die in den benachbarten Stahlplatten 33. erzeugt werden, im Wesentlichen in Richtung und Größe dieselben.
Daher haben in der benachbarten Region 34 zwischen zwei benachbarten Stahlplatten 33 die Abschnitte der Wirbelströme 31, die entlang der isolierenden Beschichtungen 32 erzeugt werden, in den benachbarten Stahlplatten 33 denselben Stromwert und die entgegengesetzte Stromrichtung in Bezug auf den obengenannten Strom, und folglich heben die Wirbelströme 31 einander in der benachbarten Region 34 auf.
Aus diesem Grund werden in dem Kranz 35 insgesamt die Wirbelströme, die in der axialen Richtung der Welle 11 erzeugt werden, aufgehoben.
Im Allgemeinen behindert ein Wirbelstrom, der in einem Metall erzeugt wird, eine Änderung des Magnetflusses, der durch das Metall geht. Wenn daher ein Wirbelstrom in der Welle 11 erzeugt wird, wird eine Kraft, die die Welle 11 bremst, erzeugt.
Wenn ferner der Wirbelstrom in der Welle 11 erzeugt wird, wird die Wärme aufgrund des elektrischen Widerstands der Welle 11 erzeugt. Daher wird die Wärme in der Welle erzeugt, und gleichzeitig wird die elektrische Leistung, die zu der Turbomolekularpumpe 1 geleitet wird, für die Erzeugung von Wärme der Welle 11 verbraucht.
Wenn daher der Kranz 35 mit den laminierten Stahlplatten konstruiert wird, um den Wirbelstrom zu unterdrücken, der in dem Kranz 35 erzeugt wird, können die Bremskraft, die Erzeugung von Wärme und der elektrische Leistungsverlust, der in dem Kranz 35 auftritt, unterdrückt werden.
Durch Bilden des Kranzes 35 mit den laminierten Stahlplatten ist es ferner möglich, die Herstellungskosten zu verringern.
Für gewöhnlich werden das Elektromagnet-Target 29 und das Radialsensor-Target 36 durch laminierte Stahlplatten gebildet und der Kranz 35 besteht aus einem Metall, wie rostfreiem Stahl.
Im Gegensatz dazu werden in der vorliegenden Ausführungsform das Elektromagnet-Target 29, der Kranz 35 und das Radialsensor-Target 36 integral durch die laminierten Stahlplatten gebildet. Aus diesem Grund kann die Struktur einfach gestaltet sein und die Anzahl von Arten der Komponenten kann verringert werden, wodurch die Herstellungskosten gesenkt werden können.
Die vorangehende Beschreibung betrifft das Target 4, das dem Magnetlagerabschnitt 8 und dem Radialsensor 9 entspricht. Die Struktur des Targets 3, das in dem Abschnitt gebildet ist, der dem Magnetlagerabschnitt 12 und dem Radialsensor 13 entspricht, ist dieselbe wie jene des Targets 4. Das heißt, das Target 3 wird durch die laminierten Stahlplatten als integrale Komponente konstruiert, was einem Teil von dem Magnetlagerabschnitt 12 zu dem Radialsensor 13 entspricht.
Obwohl in der vorliegenden Ausführungsform die Ringe der Stahlplatten an der Welle 11 durch Schrumpfpassung befestigt sind, ist das Befestigungsverfahren an der Welle 11 nicht darauf beschränkt, und die laminierten Stahlplatten können durch Schrauben befestigt werden, die so angeordnet sind, dass sie die Befestigungskraft in die axiale Richtung der Welle 11 ausüben.
Die Turbomolekularpumpe 1, die wie oben erwähnt konstruiert ist, wird wie folgt betrieben: Zunächst werden die Magnetlagerabschnitte 8, 12 und 20 angetrieben, so dass sie die Rotorwelle 11 magnetisch schweben lassen.
Die Verschiebung der Welle 11 in radialer Richtung wird von den Radialsensoren 9 und 13 erfasst, und die Verschiebung der Welle 11 in Schubrichtung wird von dem Schubsensor 17 erfasst. Der nicht dargestellte Steuerabschnitt führt eine Rückkopplungssteuerung für die Erregungsströme, die den Elektromagneten der Magnetlagerabschnitte 8, 12 und 20 zugeführt werden, aufgrund der erfassten Verschiebung der Welle 11 aus, um die Welle 11 an der vorbestimmten Position zu halten.
Anschließend treibt der Steuerabschnitt den Motor 10 an, um die Welle 11, den Rotor 24 und die Rotorschaufeln 21 bei hoher Geschwindigkeit zu drehen.
Folglich wird durch die Wirkung der Rotorschaufeln 21 und der Statorschaufeln 22 das Prozessgas durch die Ansaugöffnung 6 in den Turbomolekularpumpenabschnitt gesaugt.
Das Prozessgas, das in den Turbomolekularpumpenabschnitt gesaugt wird, wird zu dem Gewindepumpenabschnitt geleitet.
Das Prozessgas, das dem Gewindepumpenabschnitt zugeleitet wird, wird entlang den Gewinden 7 durch die Drehung des Rotors 24 befördert und durch die Auslassöffnung 19 an die Außenseite der Turbomolekularpumpe 1 abgegeben.
Während der Aktivierung der Turbomolekularpumpe 1 erfasst der Steuerabschnitt die Verschiebung der Welle 11 unter Verwendung der Radialsensoren 9 und 13 und des Schubsensors 17, um die Magnetkräfte der Magnetlagerabschnitte 8, 12 und 20 einzustellen, die auf die Welle 11 wirken.
Zu diesem Zeitpunkt werden die Magnetflüsse, die durch die Targets 3 und 4 gehen, variiert, aber da die Targets 3 und 4 aus den laminierten Stahlplatten bestehen, die voneinander isoliert sind, wird die Erzeugung der Wirbelströme durch die Magnetlagerabschnitte 8 und 12 unterdrückt. Daher können während der Aktivierung der Turbomolekularpumpe 1 die erzeugte Wärme, die Erzeugung der Bremskraft und der elektrische Leistungsverlust usw. der Targets 3 und 4 einschließlich der Kränze, die durch die Wirbelströme verursacht werden, auf einen Minimalwert unterdrückt werden.
Wie zuvor beschrieben, ist in der Turbomolekularpumpe 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform jedes der Targets 3 und 4, einschließlich des Kranzes, durch die integralen, laminierten Stahlplatten gebildet. Daher ist es möglich, Wirbelströme zu unterdrücken, die durch das Magnetfeld erzeugt werden, das durch die Magnetlagerabschnitte 8 und 12 und die Radialsensoren 9 und 13 erzeugt wird und durch die Welle 11 geht, wodurch die an der Welle erzeugte Wärme, die Erzeugung einer Bremskraft und der elektrische Leistungsverlust, der durch die Wirbelströme bedingt ist, verringert werden können.
Ferner können die Herstellungskosten für die Targets 3 und 4 im Vergleich zu verwandten Produkten gesenkt werden.
Obwohl in der vorliegenden Ausführungsform die Turbomolekularpumpe 1 als Turbomolekularpumpe konstruiert ist, die den Turbomolekularpumpenabschnitt und den Gewindepumpenabschnitt enthält, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Die vorliegende Erfindung ist bei einem Target anwendbar, in dem die Welle von einem Magnetlager gehalten wird, wie einer Turbomolekularpumpe, die aus dem Turbomolekularpumpenabschnitt ohne Gewindepumpenabschnitt besteht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Vakuumpumpe mit Magnetlager bereitzustellen, in der Wärme einer Welle aufgrund eines Wirbelstroms gering ist und der Verlust an elektrischer Leistung aufgrund des Wirbelstroms verringert ist.

Claims

Vakuumpumpe mit Magnetlager (1), umfassend: ein zylindrisches Gehäuse (16), das mit einer Ansaugöffnung (6) und einer Auslassöffnung (19) gebildet ist; einen Stator, der in dem Gehäuse (16) gebildet ist; eine Welle (11), deren Achse zur Drehung auf einer Mittelachse des Gehäuses (16) gelagert ist; einen Rotor (24), der an der Welle (11) befestigt ist, so dass er gemeinsam mit der Welle (11) dreht; einen Motor (10) zum Antreiben und Drehen der Welle (11); einen Magnetlagerabschnitt (8), der eine Mehrzahl von Elektromagneten (30) enthält, die um einen vorbestimmten Abschnitt der Welle (11) mit einem vorbestimmten Abstand zu der Welle (11) angeordnet sind, sowie ein Elektromagnet-Target (29), das an einem Abschnitt der Welle (11) gebildet ist, der den Elektromagneten (30) gegenüberliegt; einen Radialsensorabschnitt (9), der in der Nähe des Magnetlagerabschnitts (8) angeordnet ist und einen Radialsensor (28) enthält, der um die Welle (11) mit einem vorbestimmten Abstand zu dieser angeordnet ist, sowie ein Radialsensor-Target (36), das an einem Abschnitt der Welle (11) gebildet ist, der dem Radialsensor (28) gegenüberliegt; und einen Axiallagerabschnitt (20) zum Halten der Welle (11) in Längsrichtung; dadurch gekennzeichnet, dass laminierte Stahlplattenabschnitte (35), die durch Isolierungen (32) laminiert sind, an der Welle (11) zwischen dem Elektromagnet-Target (29) und dem Radialsensor-Target (36) gebildet sind.
Vakuumpumpe mit Magnetlager (1) nach Anspruch 1, wobei die laminierten Stahlplattenabschnitte (35) Stahlplatten (33) enthalten, die in einer Axialrichtung der Welle (11) laminiert sind.
Vakuumpumpe mit Magnetlager (1) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Elektromagnet-Target (29) und das Radialsensor-Target (36) aus laminierten Stahlplatten gebildet sind, und die laminierten Stahlplattenabschnitte (35) integral mit dem Elektromagnet-Target (29) und dem Radialsensor-Target (36) gebildet sind.
Vakuumpumpe mit Magnetlager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Stahlplatte (33) eine Siliziumstahlplatte enthält.
Vakuumpumpe mit Magnetlager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Magnetlagerpumpe aus einer Turbomolekularpumpe mit Rotorschaufeln (21) an dem Rotor (24) und Statorschaufeln (22) an dem Stator, einer Gewindepumpe mit einem Gewinde (7), das mindestens an einem vom dem Rotor (24) und dem Stator gebildet ist, oder einer Vakuumpumpe mit Magnetlager besteht, die die Turbomolekularpumpe an der Ansaugöffnungsseite und die Gewindepumpe an der Auslassöffnungsseite hat.