專利名稱：一種磁懸浮分子泵及其制造方法
技術領域：
本發明涉及真空獲得設備技術領域，特別是一種磁懸浮分子泵及其制造方法。
背景技術：
分子泵是一種真空泵，它是利用高速旋轉的轉子葉輪把動量傳遞給氣體分子，使之獲得定向速度，從而使氣體被壓縮、并被驅向至排氣口、再被前級泵抽走。磁懸浮分子泵是一種采用磁軸承(又稱主動磁懸浮軸承)作為分子泵轉子的支承的分子泵，它利用磁軸承將轉子穩定地懸浮在空中，使轉子在高速工作過程中與定子之間沒有機械接觸，具有無機械磨損、能耗低、允許轉速高、噪聲低、壽命長、無需潤滑介質等優點，目前磁懸浮分子泵廣泛地應用于高真空度、高潔凈度真空環境的獲得等領域中。磁懸浮分子泵的內部結構如圖1所示，所述磁懸浮分子泵的轉子包括轉子軸7和與所述轉子軸7固定連接的葉輪1，若所述磁懸浮分子泵豎直設置，則所述葉輪1固定安裝在所述轉子軸7的上部；所述轉子軸7的中部依此間隔地套設有第一徑向磁軸承6、電機8 和第二徑向磁軸承9等裝置，上述裝置共同構成了所述磁懸浮分子泵的轉子軸系。現有技術的磁懸浮分子泵，常態下，轉子質心2設置于所述轉子軸7的軸線上并位于所述第一徑向磁軸承6和所述第二徑向磁軸承9之間，如圖2所示。在工作過程中，所述轉子會受到源于分子泵自身或者外界的擾動力，引起所述轉子產生平動(即水平運動)、軸向運動和所述轉子繞所述轉子質心2的轉動。其中，所述軸向運動可通過改變第一軸向磁軸承13和/或第二軸向磁軸承15的參數來調節，而所述轉子的平動或者所述轉子繞所述轉子質心2的轉動則需要通過同時調整所述第一徑向磁軸承6和所述第二徑向磁軸承9的控制參數來調節，也即所述轉子的平動及所述轉子繞所述轉子質心2的轉動是由所述第一徑向磁軸承6和所述第二徑向磁軸承9共同控制的。如果所述轉子受擾動力影響，同時產生了所述轉子的平動和所述轉子繞所述轉子質心2的轉動，這兩種運動就會相互耦合，使所述轉子的運動情況變得很復雜。在消除擾動力影響、使所述轉子恢復常態時，需要同時改變所述第一徑向磁軸承6和所述第二徑向磁軸承9的控制參數來調整上述轉子平動和轉子轉動，使得控制過程非常復雜，控制難度大， 不利于磁懸浮分子泵系統的穩定運行。
發明內容
本發明所要解決的技術問題在于現有技術中由于轉子的質心設置在第一徑向磁軸承和第二徑向磁軸承之間，受擾動力影響轉子同時產生平動和轉動時轉子運動情況復雜，調整磁軸承參數的難度較大、控制過程復雜，所需調整時間長、效率低的技術問題，而提供一種在轉子同時發生平動和轉動時能使轉子的平動和轉動兩種運動基本相互解耦，大大簡化磁懸浮分子泵控制過程，降低控制難度、提高磁懸浮分子泵系統控制效率和穩定性的磁懸浮分子泵及其制造方法。為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案如下一種磁懸浮分子泵，包括泵體和設置在所述泵體內腔的轉子軸系；所述轉子軸系包括轉子、第一徑向磁軸承、第二徑向磁軸承、第一軸向磁軸承和第二軸向磁軸承，所述轉子包括轉子軸和與所述轉子軸固定的葉輪；所述轉子軸的中部依此間隔地套設有所述第一徑向磁軸承和所述第二徑向磁軸承，所述轉子軸的下部套設有所述第一軸向磁軸承和所述第二軸向磁軸承，所述轉子軸由所述第一徑向磁軸承、所述第二徑向磁軸承、所述第一軸向磁軸承和所述第二軸向磁軸承支承；常態下，轉子質心設置于所述轉子軸的軸線上并與所述第一徑向磁軸承的質心重合。一種上述磁懸浮分子泵的制造方法，包括通過改變轉子軸的結構、質量分布，或者改變葉輪的結構、質量分布，以使轉子的轉子質心設置于所述轉子軸的軸線上并與第一徑向磁軸承的質心重合。本發明的上述技術方案相比現有技術具有以下優點
①本發明提供的磁懸浮分子泵，常態下轉子質心設置于轉子軸的軸線上并與第一徑向磁軸承的質心重合，在轉子同時發生平動和轉動時，能使轉子的平動和轉動兩種運動基本相互解耦，轉子平動主要由第一徑向磁軸承來調整控制，轉子轉動由第二徑向磁軸承來調整控制，從而大大簡化了控制過程，降低了控制難度、提高了分子泵系統控制效率和穩定性；
②本發明提供的磁懸浮分子泵的制造方法，通過改變轉子軸的結構、質量分布，或者改變葉輪的結構、質量分布，以使轉子質心設置于轉子軸的軸線上并與第一徑向磁軸承的質心重合，上述方法都比較簡單，易于實現。③本發明提供的磁懸浮分子泵，當磁懸浮分子泵傾斜安裝時，在靜態懸浮時，只需要修改第一徑向磁軸承、第一軸向磁軸承和第二軸向磁軸承的控制參數即可重新實現轉子軸向穩定懸浮，操作簡便。
為了使本發明的內容更容易被清楚的理解，下面根據本發明的具體實施例并結合附圖，對本發明作進一步詳細的說明，其中
圖1是磁懸浮分子泵的結構示意圖； 圖2是現有技術中磁懸浮分子泵的轉子質心位置示意圖； 圖3是本發明磁懸浮分子泵的轉子質心位置示意圖。圖中附圖標記表示為1-葉輪，2-轉子質心，3-泵體，4-第一徑向保護軸承，5-第一徑向傳感器，6-第一徑向磁軸承，7-轉子軸，8-電機，9-第二徑向磁軸承，10-第二徑向傳感器，11-第二徑向保護軸承，12-軸向保護軸承，13-第一軸向磁軸承，14-推力盤，15-第二軸向磁軸承，16-軸向傳感器，17-接線端子，18-位移檢測裝置，19-轉速檢測裝置，20-磁懸浮分子泵控制器。
具體實施例方式如圖1所示，是本發明所涉及的磁懸浮分子泵的結構示意圖，本實施例中所述磁懸浮分子泵豎直設置，所述磁懸浮分子泵包括泵體3、設置在所述泵體3內腔的轉子軸系、 以及現有技術中所述磁懸浮分子泵應當具有的其他結構，由于本發明不涉及上述其他結構，此不贅述。所述轉子軸系包括轉子、第一徑向磁軸承6、第二徑向磁軸承9、第一軸向磁軸承 13和第二軸向磁軸承15。所述轉子包括轉子軸7、與所述轉子軸7固定的葉輪1、以及用于固定所述葉輪1的裝配部件，如螺釘、螺母等。所述轉子軸7的軸線沿豎直方向設置，所述葉輪1固定設置在所述轉子軸7的上部。所述轉子軸7的下部設置有所述第一軸向磁軸承13、所述第二軸向磁軸承15、推力盤 14以及軸向保護軸承12和用于檢測所述轉子軸向位移信號的軸向傳感器16。所述轉子軸 7的中部依此間隔地套設有第一徑向保護軸承4、第一徑向傳感器5、第一徑向磁軸承6、電機8、第二徑向磁軸承9、第二徑向傳感器10和第二徑向保護軸承11等裝置。所述第一徑向磁軸承6包括第一徑向磁軸承定子和第一徑向磁軸承轉子，所述第一徑向磁軸承定子與所述泵體3固定連接，所述第一徑向磁軸承轉子與所述轉子軸7固定連接。所述第一徑向傳感器5用于檢測在所述第一徑向傳感器5處所述轉子的位移信號，包括轉子平動位移信號和轉子轉動位移信號。所述第二徑向磁軸承9包括第二徑向磁軸承定子和第二徑向磁軸承轉子，所述第二徑向磁軸承定子與所述泵體3固定連接，所述第二徑向磁軸承轉子與所述轉子軸7固定連接。所述第二徑向傳感器10用于檢測在所述第二徑向傳感器10處所述轉子的位移信號，包括轉子平動位移信號和轉子轉動位移信號。所述轉子軸7由所述第一徑向磁軸承6、所述第二徑向磁軸承9、所述第一軸向磁軸承13和所述第二軸向磁軸承15 支承。常態下(所述轉子靜態懸浮時)，轉子質心2設置于所述轉子軸7的軸線上并與所述第一徑向磁軸承6的質心重合，如圖3所示。所述第一徑向磁軸承6和所述第二徑向磁軸承9能夠向所述轉子施加徑向電磁力，使所述轉子恢復常態。所述磁懸浮分子泵的控制系統包括位移檢測裝置18、轉速檢測裝置19和磁懸浮分子泵控制器20 ；所述位移檢測裝置18用于接收位移信號，其信號輸入端與所述第一徑向傳感器5、所述第二徑向傳感器10和所述軸向傳感器16的信號輸出端連接，所述位移檢測裝置18的信號輸出端與所述磁懸浮分子泵控制器20的信號輸入端連接；所述轉速檢測裝置19用于檢測所述轉子的轉速信號，其信號輸入端通過所述磁懸浮分子泵的接線端子17 連接到轉速檢測傳感器，所述轉速檢測裝置19的信號輸出端與所述磁懸浮分子泵控制器 20的信號輸入端連接。所述磁懸浮分子泵控制器20根據所述位移檢測裝置18獲得的位移信號，調用合適的控制算法進行分析運算，最終驅動相應的磁軸承(所述第一徑向磁軸承6、所述第二徑向磁軸承9、所述第一軸向磁軸承13和所述第二軸向磁軸承15中的一個或多個)輸出電磁力對所述轉子的運動施加控制。所述磁懸浮分子泵控制器20根據所述轉速檢測裝置19獲得的轉速信號，對所述轉子的轉動實時監控，并根據需要調整所述轉子的轉速。所述磁懸浮分子泵的上述結構結合其控制方法，在所述轉子同時發生平動和轉動時，能使所述轉子平動和所述轉子繞所述轉子質心2的轉動兩種運動基本相互解耦，大大簡化了控制過程、降低了控制難度、提高了分子泵系統效率。所述磁懸浮分子泵豎直安裝設置，即磁懸浮分子泵的所述轉子軸7軸線沿豎直方向時，其控制方法包括 ①所述磁懸浮分子泵豎直安裝時，所述轉子的重力由所述第一軸向磁軸承13和所述第二軸向磁軸承15共同承擔，在調整所述轉子靜態懸浮時，僅需要對所述第一軸向磁軸承13和所述第二軸向磁軸承15的控制參數進行修改即可實現所述轉子在軸向上穩定懸浮。
②所述磁懸浮分子泵運行過程中，若所述轉子受擾動力影響，所述轉子產生平動。 所述第一徑向傳感器5和所述第二徑向傳感器10均可檢測到所述轉子的平動信號，所述第一徑向傳感器5和所述第二徑向傳感器10將檢測到的轉子平動信號通過所述位移檢測裝置18發送給所述磁懸浮分子泵控制器20。所述磁懸浮分子泵控制器20經過運算分析分別向所述第一徑向磁軸承6和所述第二徑向磁軸承9發出控制指令以調整所述轉子的位置、 抑制所述轉子平動。由于所述轉子質心2與所述第一徑向磁軸承6的質心重合，所述第二徑向磁軸承9輸出的電磁力對所述轉子平動的抑制效果很小可以忽略，所以所述轉子的平動主要由所述第一徑向磁軸承6控制，即可使所述轉子恢復常態。③所述磁懸浮分子泵運行過程中，若所述轉子受擾動力影響，所述轉子產生轉動， 即所述轉子圍繞所述轉子質心2轉動，所述第一徑向傳感器5和所述第二徑向傳感器10都將檢測到所述轉子的轉動信號。所述第一徑向傳感器5和所述第二徑向傳感器10將檢測到的轉子轉動信號通過所述位移檢測裝置18發送給所述磁懸浮分子泵控制器20，所述磁懸浮分子泵控制器20經過運算分析分別向所述第一徑向磁軸承6和所述第二徑向磁軸承 9發出控制指令以調整所述轉子的位置、抑制所述轉子轉動。由于所述轉子質心2與所述第一徑向磁軸承6的質心重合，所述第一徑向磁軸承6輸出的電磁力只能調整所述轉子平動而對于所述轉子的轉動沒有抑制作用，所以所述轉子的轉動由所述第二徑向磁軸承9控制，即可使所述轉子恢復常態。④所述磁懸浮分子泵運行過程中，若所述轉子受擾動力影響，所述轉子同時產生了平動和圍繞所述轉子質心2的轉動，那么所述第一徑向傳感器5和所述第二徑向傳感器10都將檢測到所述轉子的平動信號和轉動信號。所述第一徑向傳感器5和所述第二徑向傳感器10分別將各自檢測到的轉子平動信號和轉子轉動信號都通過所述位移檢測裝置18發送給所述磁懸浮分子泵控制器20，所述磁懸浮分子泵控制器20經過運算分析分別對平動信號和轉動信號作出響應。針對轉子平動信號，所述磁懸浮分子泵控制器20經過運算分析將分別向所述第一徑向磁軸承6和所述第二徑向磁軸承9發出控制指令以調整所述轉子的位置、抑制所述轉子平動，但是由于所述轉子質心2與所述第一徑向磁軸承6的質心重合，所述第二徑向磁軸承9輸出的電磁力對所述轉子平動的抑制效果很小可以忽略，所以此時所述轉子的平動主要由所述第一徑向磁軸承6控制，即可使所述轉子恢復常態；針對轉子轉動信號，所述磁懸浮分子泵控制器20經過運算分析將分別向所述第一徑向磁軸承6和所述第二徑向磁軸承9發出控制指令以調整所述轉子的位置、抑制所述轉子轉動，但是由于所述轉子質心2與所述第一徑向磁軸承6的質心重合，所述第一徑向磁軸承6輸出的電磁力只能調整所述轉子平動而對于所述轉子的轉動沒有抑制作用， 所以此時所述轉子的轉動由所述第二徑向磁軸承9控制，即可使所述轉子恢復常態。⑤所述磁懸浮分子泵運行過程中，若所述轉子受擾動力影響，所述轉子產生軸向運動，所述軸向傳感器16將檢測到所述轉子的軸向位移信號，所述軸向傳感器16將檢測到的軸向位移信號通過所述位移檢測裝置18發送給所述磁懸浮分子泵控制器20，所述磁懸浮分子泵控制器20經過運算分析將向所述第一軸向磁軸承13和/或所述第二軸向磁軸承 15發出控制指令以調整所述轉子的位置、抑制所述轉子的軸向運動，使所述轉子恢復常態。當然，上述控制方法還包括現有技術中控制所述磁懸浮分子泵所必須的其他一般方法，由于本發明不涉及上述其他一般方法，此不贅述。本發明提供的所述磁懸浮分子泵的制造方法，包括通過改變所述轉子軸7的結構、質量分布，或者改變所述葉輪1的結構、質量分布，以使所述轉子的所述轉子質心2設置于所述轉子軸7的軸線上并與所述第一徑向磁軸承6的質心重合。在本實施例中，通過改變所述轉子軸7的質量分布，使得所述轉子質心2位置上提并與所述第一徑向磁軸承6的
質心重合。當然，上述制造方法還包括現有技術中用于制造一臺完整磁懸浮分子泵的一般方法步驟，由于本發明不涉及上述一般方法步驟，此不贅述。在其他實施例中，根據不同用戶的使用需要，所述磁懸浮分子泵還可傾斜安裝放置，即所述轉子軸7軸線與豎直方向的夾角大于0度并小于等于90度，在本實施例所述轉子軸7軸線與豎直方向的夾角為45度。所述磁懸浮分子泵的控制方法，包括①由于所述轉子質心2設置于所述轉子軸7的軸線上并與所述第一徑向磁軸承6的質心重合，所述磁懸浮分子泵傾斜安裝時，所述轉子的重力由所述第一徑向磁軸承6、所述第一軸向磁軸承13 和所述第二軸向磁軸承15共同承擔。在調整所述轉子靜態懸浮時，僅需要對所述第一徑向磁軸承6、所述第一軸向磁軸承13和所述第二軸向磁軸承15的控制參數進行修改即可實現所述轉子在軸向上穩定懸浮，而不必調整所述第二徑向磁軸承9的參數。②所述磁懸浮分子泵運行過程中，若所述轉子受擾動力影響，所述轉子產生平動， 即所述轉子產生平動，所述第一徑向傳感器5和所述第二徑向傳感器10都將檢測到所述轉子的平動信號，所述第一徑向傳感器5和所述第二徑向傳感器10將檢測到的轉子平動信號通過所述位移檢測裝置18發送給所述磁懸浮分子泵控制器20，所述磁懸浮分子泵控制器 20經過運算分析分別向所述第一徑向磁軸承6和所述第二徑向磁軸承9發出控制指令以調整所述轉子的位置、抑制所述轉子平動，但是由于所述轉子質心2與所述第一徑向磁軸承6 的質心重合，所述第二徑向磁軸承9輸出的電磁力對所述轉子平動的抑制效果很小可以忽略，所以此時所述轉子的平動主要由所述第一徑向磁軸承6控制，即可使所述轉子恢復常態。③所述磁懸浮分子泵運行過程中，若所述轉子受擾動力影響，所述轉子產生轉動， 即所述轉子圍繞所述轉子質心2轉動，所述第一徑向傳感器5和所述第二徑向傳感器10都將檢測到所述轉子的轉動信號，所述第一徑向傳感器5和所述第二徑向傳感器10將檢測到的轉子轉動信號通過所述位移檢測裝置18發送給所述磁懸浮分子泵控制器20，所述磁懸浮分子泵控制器20經過運算分析分別向所述第一徑向磁軸承6和所述第二徑向磁軸承 9發出控制指令以調整所述轉子的位置、抑制所述轉子轉動，但是由于所述轉子質心2與所述第一徑向磁軸承6的質心重合，所述第一徑向磁軸承6輸出的電磁力只能調整所述轉子平動而對于所述轉子的轉動沒有抑制作用，所以此時所述轉子的轉動由所述第二徑向磁軸承9控制，即可使所述轉子恢復常態。④所述磁懸浮分子泵運行過程中，若所述轉子受擾動力影響，所述轉子同時產生了平動和圍繞所述轉子質心2的轉動，那么所述第一徑向傳感器5和所述第二徑向傳感器10都將檢測到所述轉子的平動信號和轉動信號，所述第一徑向傳感器5和所述第二徑向傳感器10分別將各自檢測到的轉子平動信號和轉子轉動信號都通過所述位移檢測裝置18發送給所述磁懸浮分子泵控制器20，所述磁懸浮分子泵控制器20經過運算分析分別對平動信號和轉動信號作出響應；針對轉子平動信號，所述磁懸浮分子泵控制器20經過運算分析分別向所述第一徑向磁軸承6和所述第二徑向磁軸承9發出控制指令以調整所述轉子的位置、抑制所述轉子平動，但是由于所述轉子質心2與所述第一徑向磁軸承6的質心重合，所述第二徑向磁軸承9輸出的電磁力對所述轉子平動的抑制效果很小可以忽略，所以此時所述轉子的平動主要由所述第一徑向磁軸承6控制，即可使所述轉子恢復常態；針對轉子轉動信號，所述磁懸浮分子泵控制器20經過運算分析分別向所述第一徑向磁軸承6和所述第二徑向磁軸承9發出控制指令以調整所述轉子的位置、 抑制所述轉子轉動，但是由于所述轉子質心2與所述第一徑向磁軸承6的質心重合，所述第一徑向磁軸承6輸出的電磁力只能調整所述轉子平動而對于所述轉子的轉動沒有抑制作用，所以此時所述轉子的轉動由所述第二徑向磁軸承9控制，即可使所述轉子恢復常態。 ⑤所述磁懸浮分子泵運行過程中，若所述轉子受擾動力影響，所述轉子產生軸向運動，所述軸向傳感器16檢測到所述轉子的軸向位移信號。所述軸向傳感器16將檢測到的軸向位移信號通過所述位移檢測裝置18發送給所述磁懸浮分子泵控制器20，所述磁懸浮分子泵控制器20經過運算分析向所述第一軸向磁軸承13和/或所述第二軸向磁軸承15發出控制指令以調整所述轉子的位置、抑制所述轉子的軸向運動，使所述轉子恢復常態。
顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發明創造的保護范圍之中。
權利要求
1.一種磁懸浮分子泵，包括泵體(3)和設置在所述泵體(3)內腔的轉子軸系；所述轉子軸系包括轉子、第一徑向磁軸承(6)、第二徑向磁軸承(9)、第一軸向磁軸承(13)和第二軸向磁軸承(15)，所述轉子包括轉子軸(7)和與所述轉子軸(7)固定的葉輪(1)；所述轉子軸 (7)的中部依此間隔地套設有所述第一徑向磁軸承(6)和所述第二徑向磁軸承(9)，所述轉子軸(7)的下部套設有所述第一軸向磁軸承(13)和所述第二軸向磁軸承(15)，所述轉子軸 (7 )由所述第一徑向磁軸承(6 )、所述第二徑向磁軸承(9 )、所述第一軸向磁軸承(13 )和所述第二軸向磁軸承(15)支承；其特征在于常態下，轉子質心(2)設置于所述轉子軸(7)的軸線上并與所述第一徑向磁軸承(6)的質心重合。
2.—種權利要求1所述磁懸浮分子泵的制造方法，其特征在于包括通過改變轉子軸 (7)的結構、質量分布，或者改變葉輪(1)的結構、質量分布，以使轉子質心(2)設置于所述轉子軸(7)的軸線上并與第一徑向磁軸承(6)的質心重合。
全文摘要
一種磁懸浮分子泵及其制造方法，所述磁懸浮分子泵包括泵體和設置在所述泵體內腔的轉子軸系；所述轉子軸系包括轉子、第一徑向磁軸承、第二徑向磁軸承、第一軸向磁軸承和第二軸向磁軸承，所述轉子包括轉子軸和與所述轉子軸固定的葉輪；所述轉子軸的中部依此間隔地套設有所述第一徑向磁軸承和所述第二徑向磁軸承；常態下，轉子質心設置于所述轉子軸的軸線上并與所述第一徑向磁軸承的質心重合。本發明提供的磁懸浮分子泵實現轉子的平動和轉動兩種運動基本相互解耦，從而簡化了控制過程，降低了控制難度、提高了磁懸浮分子泵系統控制效率和穩定性。
文檔編號F04D19/04GK102242721SQ20111016763
公開日2011年11月16日 申請日期2011年6月21日 優先權日2011年6月21日
發明者張剴, 張小章, 李奇志, 武涵, 鄒蒙 申請人:北京中科科儀技術發展有限責任公司, 清華大學