KR20180107258A - 자기 베어링의 로터용 영구 마그네트의 어레이 및 어레이의 조립 방법 - Google Patents

자기 베어링의 로터용 영구 마그네트의 어레이 및 어레이의 조립 방법 Download PDF

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Abstract

터보분자 펌프에 사용되는 경우 자기 베어링 조립체의 회전 자석 어레이 내의 영구 자석의 비대칭 자화에 의해 생성된 표유 자계(stray magnetic fields)는 주사 전자 현미경과 같은 장치에 큰 문제점을 야기시킬 수 있다. 표유 자계를 최소화하기 위해서, 어레이 내의 각각의 자석의 적어도 쌍극자 및 사극자 모멘트가 우선 측정된다. 다음에, 쌍극자 및 사극자 모멘트가 최소화되고, 그에 따라 자석 어레이가 터보분자 펌프에서 회전될 때의 표유 자계를 최소화하도록, 어레이 내의 자석은 서로에 대해서 배치된다.

Description

자기 베어링의 로터용 영구 마그네트의 어레이 및 어레이의 조립 방법{ARRAY OF PERMANENT MAGNETS FOR THE ROTOR OF A MAGNETIC BEARING AND METHOD OF ASSEMBLY OF THE ARRAY}
본 발명의 자기 베어링의 분야에 관한 것이다. 특히, 터보분자 펌프와 같은 고속 회전 기계 내의 영구 자기 베어링 장치에 의해 야기된 표유 횡단 자계(stray transverse magnetic fields)를 감소시키는 장치 및 방법에 관한 것이다.
터보분자 펌프는 주사 전자 현미경(scanning electron microscope : SEM)과 같은 장치 및 리소그래피(lithography) 장치에 있어서 요구되는 높은 진공 환경을 생성하는데 사용되는 진공 시스템의 일부분으로서 이용된다.
터보분자 펌프는 펌프의 높은 진공 단부 내에 오일이 없는(oil free) 패시브 영구 자기 베어링 장치를 포함하는 것이 통상적이다.
터보분자 펌프(도시하지 않음)용의 패시브 영구 자기 베어링 장치(10)의 단면이 도 1에 도시되어 있다. 이러한 예에 있어서, 베어링 장치(10)는 4개의 외부 회전 영구 자석 링(12a, 12b, 12c, 12d)의 어레이(12)와, 4개의 내부 비회전 영구 자석 링(14a, 14b, 14c, 14d)의 어레이(14)를 포함하며, 이들 어레이(12, 14)는 외부 회전 어레이(12)가 내부 정지 어레이(14)를 동심 방식으로 둘러싸도록 배치되어 있다. 자석들은 모두 희토류 자기 재료로 형성된다. 외부 어레이(12)는 터보분자 펌프(도시하지 않음)의 로터에 부착되며, 정지 어레이(14)는 상기 펌프의 스테이터에 부착된다. 기계적인 강도 및 실제 구성의 이유 때문에, 링의 외부 어레이가 베어링 장치의 회전 부분을 형성하고, 내부 링이 고정 부분을 형성하는 것이 통상적이다.
이러한 예에 있어서, 각 어레이(12, 14) 내의 자기 링(12a 내지 12d 및 14a 내지 14d)의 자화는 각기 펌프 로터(도시하지 않음)의 회전축(4)과 실질적으로 정렬되어 있다. 자화의 방향은 화살표로 표시되어 있으며, 각 화살표의 머리는 북극을 가리킨다.
자석은 각각의 어레이 내에 배치되며, 그 결과 자석들은 서로에 대해서 상호 반발되며; 즉 어레이 내의 가장 가까운 자석들은 동일한 극을 갖는 동일한 어레이 내에서 그들의 가장 가까운 인접하는 자석과 만난다(예를 들면, 자석(12a, 12b)은 그들의 남극을 갖고 서로 만난다). 각 어레이 내의 외부 자기 링(12a, 12d, 14a, 14d)은 가장 외측을 향하는 그들의 북극을 갖고 있다.
장치(10)의 각 어레이(12, 14) 내의 자석(12a 내지 12d 및 14a 내지 14d)은, 어레이(12, 14) 사이에 상호 반발을 제공하고, 그에 따라 거의 마찰이 없는 베어링을 형성하도록 배향된다.
축방향 또는 반경방향 자화를 갖고, 로터와 스테이터 사이의 반발력 또는 인력을 위해 배치된, 상이한 개수의 링을 이용하여 매우 많은 다른 구성이 가능하다. 다양한 구성이 가능할지라도, 링 내의 자화의 방향이 그들의 기하 축에 대해서 완전하게 대칭일 때 이들 모든 구성은 적절하게 실행된다.
회전 어레이(12)의 링(12a 내지 12d)에서의 자화는 그들의 기하 축(4)에 대해서 바람직하게 대칭인 것으로 도 1에 도시되어 있다. 그러나, 실제로 각각의 자기 링(12a 내지 도 12d)(그리고 유사하게 자석(14a 내지 14d)에 대해서)의 자화는 그들의 제조 프로세스의 실제적 제한으로 인해서 불완전하다. 이것은 도 2a 및 도 2b에 도시되어 있다. 축방향으로 자화된 영구 자기 링에서 관찰되는 가장 큰 자기 비대칭은 통상적으로 작은 각도 에러이며, 그 결과 자석의 축은 도 2a에 표시된 바와 같이 몇 도의 각도에 의해 기하 축(4)으로부터 변위된다. 자석의 품질 또는 등급에 따라서, 각도 에러(θ)는 3°만큼 클 수 있다. 이러한 에러는 이상적인 축방향 자화로부터의 작은 교란으로서 간주될 수 있으며; 실제로 횡단 자기 쌍극자 모멘트(8)는 도 2b에 도시된 바와 같이 예정된 축방향 쌍극자 모멘트(6)에 중첩된다.
횡단 쌍극자(제 1 차수) 비대칭에 추가해서, 보다 높은 차수 비대칭은 예를 들면 사극자 및 헥사폴(hexapole) 비대칭이 존재한다. 통상적으로, 비대칭의 크기, 또는 자계 강도는 극의 개수가 증가함에 따라 감소된다.
이들 소형 비대칭이 회전 자석 어레이(12)의 링(12a 내지 12d) 중 어느 하나에 존재하는 경우, 시간 변화 자계가 발생된다(자계는 정지 자석(14a 내지 도 14d)에 대해서 일정하다). 이들 2, 4, 6 극 비대칭은 각기 펌프 로터의 회전 속도의 1, 2, 3배의 주파수에서 시간 변화하는 자계를 생성한다.
주사 전자 현미경의 성능은 터보분자 펌프로부터 방출된 기계적인 진동 또는 표유 자계(stray field)에 극히 민감하다. 표유 자계는 전자 비임과 또는 기구의 전기 회로와 직접 간섭되는 것으로 공지되어 있다.
이러한 자계 방출을 감소시키기 위해서 강유전성 차폐부를 사용하는 것이 통상적일지라도, 이러한 차폐부는 고가이며, 단지 제한된 효과만을 제공한다.
따라서, 대안적인 수단에 의해 이들 시간 변화 표유 자계의 영향을 감소시키는 것이 바람직하다.
본 발명의 제 1 양태는, 영구 자기 베어링 장치용의 회전 자석 어레이를 조립하는 방법으로서, 상기 회전 어레이는 적어도 4개의 영구 링 자석을 포함하는, 회전 자석 어레이 조립 방법에 있어서,
적어도 제 1 및 제 2 차수 횡단 표유 자계의 사이즈 및 위상(벡터), 즉 상기 링 자석의 기준점에 관하여 적어도 4개의 링 자석 각각의 횡단 쌍극자 및 사극자 표유 자계를 측정하는 단계와,
상기 어레이가 조립되는 경우, 최소 시간 변화 자계를 제공하는 어레이 내에 상기 적어도 4개의 자석 각각의 상대 각도 배향 및 상대 자기 극성 방향을 계산 또는 연산하는 단계와,
상기 계산에 따라서 자석의 어레이를 조립하는 단계를 포함한다.
몇몇 회전 링의 비대칭 자화가 실질적으로 상호 반작용하도록, 자석 링을 최적으로 선택 및 조립한다. "업(up)" 및 "다운(down)" 배향에서 자석의 모든 교란의 영향과, 그리고 모든 상대적인 각도 배향을 계산함으로써, 표유 자계의 대부분을 최소화하기 위해 자석의 최적의 구성을 결정하는 것이 가능하다.
다음에, 표유 자계를 결정하기 위한 계산 및/또는 최종 어레이 상의 표유 자계의 측정에 따라 바람직한 배향 및 순열에서 자석 세트의 측정이 실행될 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 및/또는 최적의 실시형태는 첨부 도면에 한정되어 있다.
본 발명을 이해할 수 있도록, 단지 예로서 제공되는 본 발명의 실시예들을 첨부 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 수동형 자기 베어링 장치의 단면도이다.
도 2a는 영구 링 자석의 비대칭 자화를 설명하는 도면이다.
도 2b는 영구 링 자석의 비대칭 자화를 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 측정을 실행하기 위한 장치의 개략도이다.
도 4는 4개의 링 자석 시스템의 감소된 표유 횡단 쌍극자 모멘트 자계를 도시하는 도면이다.
도 5는 4개의 링 자석 시스템의 표유 횡단 쌍극자 및 사극자 모멘트 자계를 도시하는 도면이다.
도 6은 4개의 링 자석 시스템의 감소된 표유 횡단 쌍극자 및 사극자 모멘트 자계를 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 4개의 자석 어레이 측정의 흐름도이다.
도 8a 내지 도 8e는 본 발명에 따른 4개의 자석 어레이 측정의 흐름도이다.
도 3은 본 발명에 따른 측정을 실행하기 위한 장치의 개략도이다. 자석 측정 스테이션(또는 자기 정렬 링)(50)은 자석 회전 섹션(58, 60, 62, 64, 66) 및 자계 측정 섹션(56, 54, 68, 70, 72)을 포함한다.
자석 회전 섹션은 자석을 회전시키기 위한 모터(62)를 포함한다. 모터(62)는 인버터와 같은 속도 제어 장치(64)와, 동력 공급부(66)에 의해 구동된다. 모터(62)에 부착된 비자기 스핀들 또는 로터(60)는 비자기 작업대(5)를 통해서 자석 홀더(58)(또는 비자기)까지 연장된다. 모터는 자석 홀더 및 측정 스테이션으로부터 충분히 멀리 위치되며, 그 결과 상기 모터(62)로부터 방출된 모든 자계가 취해진 어떠한 측정도 간섭하지 않는다. 바람직하게, 로터는 모터로부터 단부 말단에서 비자기 베어링 장치(도시하지 않음)에 의해 자석 홀더(58)에 근접하여 지지되어, 실질적으로 진동이나 운동이 없이 자석이 회전될 수 있게 하는 것을 보장한다. 자석 홀더(58)는 스핀들(60)에 부착된 베이스(58a)와, 축방향 클램핑 장치(58b)를 포함한다. 베이스(58a)는 실질적으로 평탄한 표면(58c)을 포함하며, 바람직하게 중앙 샤프트(도시하지 않음)가 베이스로부터 상방으로 연장된 상태에서 링 자석(12a)은 상기 표면(58c)상에 수용된다. 샤프트는 링 자석과 실질적으로 동일한 직경을 갖고 있어서, 자석은 회전하는 동안 반경방향으로 이동되는 것이 방지된다. 또한, 축방향 클램핑 장치(58b)는 중앙 샤프트의 직경에 실질적으로 일치하는 내부 보어를 포함한다. 바람직하게, 클램핑 장치(58b)는 나사산 장치에 의해 베이스(58a)에 부착된다. 또한, 위상 기준 픽업 장치(80)가 마련되어, 회전 동안에 스핀들의 각도 위치를 검출한다. 예를 들면, 픽업 장치(80)는 베이스(58a)상의 기준선 또는 참조선과 같은 광학 트리거를 이용할 수 있다. 픽업은 컴퓨터(72)와 통신된다.
자계 측정 섹션은 비자기 지지체(54)에 의해 작업대(52) 상에 지지된 자계 측정 장치(56)를 포함한다. 측정 장치(56)는 500pT 노이즈 미만의 1nT를 분해할 수 있는 민감도를 갖는 플럭스 게이트 센서(flux gate sensor), 홀 효과 센서(hall effect sensor) 또는 서치 코일(search coil)일 수 있다. 센서(56)는 신호 조절장치(68), 고속 푸리에 변환(fast Fourier transform) 차수 추적 장치(70) 및 컴퓨터(72)에 연결되어 있다. 컴퓨터(72)는 각각의 자석에 대해서 취해진 측정에 의거하여 자석의 바람직한 구성 및/또는 순열(permutation)을 연산하기 위한 소프트웨어를 구비한다.
사용시에, 측정될 개별 자석(12a)은, 북극이 하방을 향해 배향되어 위치된 자석 홀더 베이스(58a) 상에 배치된다. 간단하게 펜(pen)에 의해 제조된 마크일 수 있는 기준점은 베이스(58a) 상의 참조 기준선에 부합하도록 링 자석(12a) 상에 배치된다. 다음에, 자석(12a)은 이 위치에서 클램핑 장치(58b)에 의해 자석 홀더에 고정된다.
자석(12a) 및 센서(56)는, 센서 축(84)이 자석(12a)의 외부 원주의 적도(즉, 자석의 북극과 남극 사이의 중간)와 실질적으로 정렬되도록, 배열되어야 한다.
각 자석의 자계를 특성화하기 위해서, 회전되는 모터(62)는 스핀들(60) 및 자석 홀더(58)를 거쳐서 자석(12a)을 회전시킨다. 모터는 21㎐와 24㎐ 사이에서 작동한다. 스핀들(60) 및 자석 홀더(58)는, 자계 센서(56)의 축이 자석의 평면(즉, 공칭 자화 축에 대해 직각임)에서 <1°로 놓이도록, 자석(들)을 반복적으로 배향시켜야 한다. 회전 샤프트(60) 및 홀더(58a)상의 자석 접촉 면의 (축방향) 런아웃(run-out)은 <10㎛이어야 한다(1㎛ 런아웃 또는 0.0019° 자석 틸트(tilt)는 0.6nT 에러와 등가이다).
픽업(80), 신호 조절장치(68), 고속 푸리에 변환(fast Fourier transform) 분석기(70) 및 컴퓨터(72)와 조합된 센서(56)는 자석의 횡단 자계의 크기 및 위상 데이터를 검출하고 기록한다. 적어도 제 1 및 제 2 차수 횡단 표유 자계, 즉 횡단 쌍극자 및 사극자 표유 자계는 각각의 자석에 대해서 측정 및 기록되어야 한다. 그러나, 헥사폴(hexapole)과 같은 보다 높은 차수 다극 횡단 자계의 데이터가 또한 수집될 수 있다.
적어도 4개의 자석을 포함하는 영구 자기 베어링 장치(10)용의 회전 자석 어레이(12)에 대해서 프로세스가 실행된다면, 이러한 프로세스는 적어도 3개의 다른 자석(12b, 12c, 12d)에 대해서 반복된다. 적어도 20초 회전에 걸쳐서 각각의 자석에 대한 데이터가 수집된다.
다음에, 어레이(12) 내의 4개의 자석(12a, 12b, 12c, 12d)의 각각의 상대 각도 배향(측정 단계 동안의 각각의 자석 상에 형성된 기준점과 비교함), 및 상대 자기 극성 방향이 계산되어, 회전 동안에 최소 시간-변화 자계를 갖는 조립된 어레이(12)를 제공하게 될 것이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 4개의 회전 자석 링의 어레이에 있어서, 표유 횡단 쌍극자, 또는 제 1 차수 자계를 단지 감소시키도록 계산이 한정된다면, 4개의 자석 링의 4개의 횡단 쌍극자 모멘트(21, 22, 23, 24)의 벡터 추가가 단지 고려되어야 한다. 4개의 링을 어레이 내에서 서로에 대해 회전시킴으로써, 자석의 상대 각도 배향을 생성하는 것이 가능하며, 여기에서 4개의 개별 쌍극자 모멘트(21, 22, 23, 24)는 폐쇄된 사변형을 형성하며, 그에 따라 제로 벡터 합을 갖는다(개별 자석이 다른 3개의 자석의 합보다 큰 쌍극자 모멘트를 갖지 않는 한에 있어서). 몇몇 상대 각도 배향 방법으로 이러한 사변형을 형성하는 것이 가능하며, 또한 제로 벡터 합을 성취하는 것이 가능하다. 제로 전체 쌍극자를 제공하기 위해 4개의 링 자석을 배치하는 것은 1°의 자유도를 갖는다고 말할 수 있다.
각각의 어레이 내에 3개의 회전 자석을 갖는 자기 베어링의 회전 자석 어레이는 또한 폐쇄 삼각형을 형성하도록 배치될 수 있지만(3 벡터의 상대 크기에 따라 좌우됨), 단지 하나의 상대 배향이 있으며, 그로 인해 자유도가 없다. 일반적으로, N-자석 시스템은 N-3 자유도를 갖는 최소 쌍극자 모멘트를 위해 조립될 수 있다.
다음에 제 2 차수, 사극자 모멘트, 표유 자계로 인한 시간-변화 자계가 쌍극자 모멘트에 추가하는 것이 고려될 때, 사극자 모멘트의 방향과 쌍극자 모멘트의 방향 사이의 특정 관계가 없는 것이 발견되었으며, 그 결과 쌍극자 모멘트의 제로 벡터 합을 충족시키는 것은 쌍극자 모멘트의 제로 합을 일반적으로 생성하지 못한다. 반면에, 4-자석 구성이 단지 쌍극자를 위한 1 자유도를 제공하는 경우, 문제가 과도하게 억제되기 때문에 쌍극자 및 사극자 양자의 제로 합을 달성하기 위한 제로 자유도보다 작다. 이것은 도 5에 도시되어 있다. 4개의 쌍극자(21, 22, 23, 24)는 제로 합을 위해 배치되어 있지만, 대응하는 4개의 사극자 벡터(31, 32, 33, 34)는 제로 합을 갖지 않으며, 대신에 조합된 벡터(100)를 형성한다.
그러나, 회전 어레이(12) 내의 자석(12a, 12b, 12c, 12d) 중 2개가 북쪽 자극이 상방향으로 배향되고 그리고 2개가 북쪽 자극이 하방향으로 배향될 필요가 있기 때문에, 자석 중 2개를 물리적으로 반전시키면 자유도의 개수가 증가하며, 반전되지 않은 배치와 비교하여 쌍극자에 대한 사극자 네가티브의 위상을 형성한다. 따라서, 도 6에 도시된 바와 같이, 자석 쌍극자(21, 22, 23, 24)로 인한 전체 횡단 자계는 제로로 유지될 수 있는 반면에, 사극자(31, 32, 33, 34)의 전체 영향(200)은 적어도 절반까지 감소된다.
컴퓨터(72)는, 회전 동안에 최소 시간 변화 표유 쌍극자 및 사극자 횡단 자계를 제공하는 어레이(12) 내에서, 4개의 자석(12a, 12b, 12c, 12d)의 각각의 상대 각도 배향(측정 단계 동안에 각 자석 상에 형성된 기준점과 비교함) 및 상대 자기 극성 방향을 계산한다.
또한, 자석의 대형 배치(batch), 즉 20의 표유 자계를 측정하는 것이 유리하며, 다음에 5개의 상이한 자석 어레이까지 결정하도록 상기 계산을 실행하는 것이 유리하며, 각각의 자석 어레이는 최적의 낮은 표유 자계 방출을 갖는 4개의 자석을 포함한다.
계산은 시간 변화 자계를 고려하고 그리고 중첩의 원리를 이용하여 실행될 수 있다:
전체 표유 자계 = A + B + C + D
여기에서:
· A=A1*COS(θ1+φ1)+A2*COS(2*θ1+ψ1)
· B=B1*COS(θ2+φ2)+B2*COS(2*θ2+ψ2)
· C=C1*COS(θ3+φ3)+C2*COS(2*θ3+ψ3)
· D=D1*COS(θ+φ4)+D2*COS(2*θ+ψ4)
여기에서:
· θ1=θ+T1; θ2=θ+T2; θ3=θ+T3;
· φn 및 ψn은 각각 쌍극자 및 사극자 모멘트의 위상 각도이다.
· T1, T2, T3은 개별 자석으로 제조될 수 있는 회전 조정값이다.
· 상술한 조건에 따르면, φn 및 ψn의 쌍 중 2개는 네가티브(반전된 자석을 나타냄)이어야 하며, φn 및 ψn의 쌍 중 2개는 포지티브이어야 한다.
· 목적은 φn 및 ψn의 쌍의 조합의 T1, T2, T3 및 신호를 변화시킴으로써 0≤θ≤2π에 대한 전체의 피크대 피크 값을 최소화하는 것이다.
컴퓨터(72)에 의한 계산으로부터 결과적인 출력은,
a) 조립 순서, 즉 자석이 어레이(12)의 어느 위치를 차지하는지,
b) 기준(각도) 제로에 대한 각 자석의 회전,
c) 어레이(12)의 nT 피크-피크에서 사전표시된 표유 자계를
나타낼 필요가 있다.
4개의 자석(12a 내지 12d) 중 임의의 것이 한 세트로 사용하기에 부적절하다면, 컴퓨터(72)의 소프트웨어는 자석이 다른 가능한 자석으로 대체되어야 하는 것을 나타내야 하며, 사이클이 개시로부터 재시작되어야 하는 것을 나타낸다.
일단 4개의 자석(12a 내지 12d)의 세트에 대한 상대 각도 배향 및 상대 자기 극성 방향이 계산되면, 어레이(12)는 계산에 따라서 배치될 수 있고, 어레이는 자석 측정 스테이션에서 체크된다.
이러한 추가 단계가 실행된다면, 센서 축(84)은 자석 어레이의 외부 원주의 중간(즉, 도 1에서 자석(12b)과 자석(12c) 사이)과 실질적으로 정렬되어야 한다. 4개의 자석의 세트에 대한 축으로부터 200㎜에서 측정된 타겟 시간 변화 최대 횡단 표유 자계는 180nT 피크-피크이다.
개별 자석 및 어레이 측정에 대한 흐름도가 도 7 및 도 8에 도시되어 있다.
다음에, 본 발명에 따라 조립된 어레이(12)는 터보분자 펌프와 같은 고속 회전 기계에 끼워맞춰질 베어링 장치 내에 조립될 수 있다.
최적화된 베어링 조립체는 단독으로 사용될 수도 있거나, 표유 자계를 더욱 감소시키기 위해서 패시브 차폐부 또는 액티브 무효화부와 조합될 수 있다.

Claims (5)

  1. 자기 베어링 장치의 회전가능한 영구 자석 어레이를 조립하는 방법으로서, 상기 회전가능한 영구 자석 어레이는 적어도 4개의 영구 링 자석을 포함하는, 회전가능한 영구 자석 어레이 조립 방법에 있어서,
    적어도 4개의 링 자석 각각에 대해서, 상기 링 자석의 기준점에 관하여 적어도 제 1 및 제 2 차수 횡단 표유(stray) 자계 벡터를 측정하는 단계와,
    적어도 4개의 자석이 조립 및 회전되는 경우, 시간-변화 자계가 최소화되도록, 상기 어레이 내의 각각의 자석에 대한 상대 각도 배향 및 상대 자기 극성 방향을 계산하는 단계와,
    계산에 따라서 자석의 어레이를 조립하는 단계를 포함하는
    회전가능한 영구 자석 어레이 조립 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    계산 단계에 따라서 일단 조립되면, 어레이의 제 1 및 제 2 차수 횡단 표유 자계를 측정하는 단계를 더 포함하는
    회전가능한 영구 자석 어레이 조립 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 방법에 따라서 조립된 적어도 4개의 영구 자석을 구비한 회전 가능한 자석 어레이를 조립하는 공정을 구비하는
    베어링 장치의 조립 방법.
  4. 제 3 항에 기재된 방법에 따라서 조립된 베어링 장치를 조립하는 공정을 구비하는
    고속 회전 장치의 조립 방법.
  5. 제 3 항에 기재된 방법에 따라서 조립된 베어링 장치를 조립하는 공정을 구비하는
    터보분자 펌프의 조립 방법.
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