CN1842655A - 磁性轴承设备及真空泵 - Google Patents

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Abstract

公开了一种可旋转地支撑轴杆(20)绕转动轴线(101)转动的磁性轴承设备(1)。该设备(1)包含一个第一主动径向轴承(5)、一个或多个径向位移传感器(81)和一个轴向轴承(6，7)。若从到转动轴线(101)上的正交投影观察，该轴向轴承(6，7)的至少一部分设置在第一主动径向轴承(5)和第一径向位移传感器(81)之间。还公开了一种包含上述的磁性轴承设备(1)和多路检测单元(8)的真空泵。

Description

磁性轴承设备及真空泵
技术领域
本发明涉及一种磁性轴承设备和一种包含这种磁性轴承设备的真空泵，更具体地涉及一种涡轮分子真空泵(TMP)。
背景技术
在涡轮分子真空泵中，安装有泵叶片的转子以高角速度旋转。为使转动的损耗和磨损尽可能地少，经常采用磁性轴承以非接触方式支撑转子。磁性轴承可以是被动式的，采用永久磁铁，或者是主动式的，采用各种电磁铁。在现有技术中还已知被动式和主动式轴承的结合形式以及磁性轴承与标准滚珠轴承和/或空气轴承的结合形式。
转子基本上构成了一个具有六个空间自由度(DOF)的刚性顶部。一个自由度是绕转子轴线的转动。该自由度通常由电动马达驱动。另外五个自由度应该是基本上固定的。因此，需要轴承限制沿着这些自由度的运动。
通常，涡轮分子真空泵可在任意方向上运转，即，转子轴线可在空间中具有任意方向。下面，为了简化，假设转子轴线竖直，并且转子由圆柱对称性的伸长轴杆支撑在轴承定子中，而伸长轴杆承载有定子中与转子相对的部分。所以，自由度的所需约束通常通过以下方式实现：提供一套限制轴杆上部在两个相互垂直径向上的径向运动的上部径向轴承、一套限制轴杆下部在两个相互垂直的径向上的径向运动的下部径向轴承、以及一套限制轴杆的轴向运动的轴向轴承(通常称为止推轴承)。这提供了对五个自由度的控制。
这些轴承中全部或者只有部分可以为主动轴承。为了控制主动轴承，需要传感器来确定轴杆从其理想位置沿特定方向的位移。这种传感器在本领域中是已知的。
通常，将传感器、轴承和驱动马达装配在一起而形成轴承设备。通常以特定顺序布置轴承设备的部件。从设备的上端——即安装了具有叶片的泵的转子的端部——开始，从上到下的安装顺序通常为：
a.上部径向传感器
b.上部径向轴承
c.驱动马达
d.下部径向轴承
e.下部径向传感器
f.轴向轴承
g.轴向传感器
轴向传感器通常安装在轴杆的下端。而且，可有额外的传感器，例如，用于监控旋转频率的传感器。这种装置例如公开在授予Maejima的第6,465,924号美国专利中(例如参见该文献的图5)。
然而，上述装置导致轴承设备的长度相对较大，从而，轴杆的长度也相对较大。进一步，传感器沿着轴向至少在三个平面出现，这使得敷设电缆复杂并且昂贵。由于轴杆较长，力矩就相当大，因此需要更强的轴承。而且，长轴杆倾向于具有低的弯曲特征频率，这会妨碍对磁性轴承的控制。最后，最终用户期望涡轮分子真空泵的长度尽可能短。
美国专利申请No.2003/0155829公开了一种具有单个推力盘的磁性轴承设备，该推力可反作用于径向和轴向位移。尽管该设计使得设备长度变短，但是，它只能提供对三个自由度的主动控制。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种长度缩短、结构简化的磁性轴承设备。
该目的是由一种依据权利要求1的可旋转地支撑转子绕转动轴线转动的磁性轴承设备而实现的。该磁性轴承设备包含一个第一主动径向轴承、一个或多个径向位移传感器和一个轴向轴承。依据本发明，若从到转动轴线上的正交投影观察，轴向轴承的至少一部分设置在第一主动径向轴承和第一径向位移传感器之间。
有利地，该磁性轴承设备还包含一个第二主动径向轴承。所述第一和第二径向轴承设置在沿转动轴线的不同位置。若从到转动轴线上的正交投影观察，第二径向轴承有利地设置在轴向轴承的与第一径向轴承相同的一侧。换言之，第一径向轴承有利地设置在轴向轴承和第二径向轴承之间。
有利地，该设备还包含第二径向位移传感器。第一和第二径向位移传感器也设置在沿转动轴线的不同位置。上述设备使得可以主动控制五个自由度。
这里，正交投影定义为光线径向地射向转动轴线的投影。换言之，轴向轴承、第一主动径向轴承和第一径向位移传感器按如下方式设置：若画出与转动轴线垂直并与第一主动径向轴承相交的所有平面，且画出与转动轴线垂直并与第一主动径向位移传感器相交的所有平面，则总可找到一个平面，该平面与转动轴线垂直、与轴向轴承相交，且位于其它两组平面之间。
从而，相对于通常的装置，若从第一径向轴承观察，第一径向位移传感器的位置偏移到至少部分轴向轴承的远侧。这获得了一种长度更短、重量更轻的简化设备，它需要更少空间，产生了更高的灵敏度从而更好控制。
在一种有利的实施方式中，轴向轴承提供了空隙空间，并且第一径向位移传感器延伸到轴向轴承的该空隙空间内。
轴承设备还可包含一个驱动马达。那么，若从到转动轴线上的正交投影观察，如果此驱动马达设置在第一和第二主动径向轴承之间，且如果第二径向位移传感器设置在第二主动径向轴承和驱动马达之间，这是有利的。
为了主动控制，该设备可还包含一个或多个轴向位移传感器和一个或多个用于检测角速度的传感器。若第一径向位移传感器和轴向位移传感器集成到单个多路检测单元中，可得到轴承设备的有利结构。优选地，角速度传感器也可集成到该多路检测单元。
本发明的另一个目的是提供一种泵，具体地，提供一种涡轮分子泵，其尺寸缩小、重量更轻，且稳定性更高。该目的是通过一种泵、特别是依据权利要求7的一种涡轮分子泵实现的。
本发明的另一个目的是提供一种装置，该装置可以同时确定转动轴杆的多个特征而只需要更小的空间且提供简化的线缆敷设。该目的是通过依据权利要求8的一种多路检测单元实现的。这样，多路检测单元包含一个保持构件以及多个安装到保持构件上的传感器，其中，至少一个传感器为径向位移传感器且至少一个传感器为轴向位移传感器。优选地，还有至少一个角速度传感器集成在该多路检测单元中；这样，优选地，至少一个传感器为角速度传感器。种传感器可以是一种脉冲传感器或一种所谓的分解器(resolver)，这两种类型在现有技术中是已知的。
上述多路检测单元是有利的，因为它允许多个传感器集成在单个单元内，这可在设备制造时容易地放置在适当位置上，且可作为一个整体容易地替换。为此，上述多路检测单元有利地具有用于全部电连接到传感器的单个连接器。
上述多路检测单元优选以这样的方式构造：当在磁性轴承设备中选定其最终位置时，若从到转动轴线上的正交投影观察，至少部分轴向轴承单元设置在第一径向轴承单元和多路检测单元之间。
优选地，该保持构件适于设置在磁性轴承设备中，使得其至少部分延伸到设置在轴向轴承中的空隙空间内。
附图说明
下面将结合附图中描述的实施例更详细地描述本发明，其中：
图1示出了涡轮分子真空泵的概略侧部截面视图；
图2示出了***了轴杆的轴承设备的侧部截面视图；
图3示出了轴杆的侧部截面视图；
图4示出了上部径向轴承单元以及上部传感器单元的比例放大的侧部截面视图；
图5示出了上部传感器单元比例放大的侧部截面视图；
图6示出了驱动马达单元比例放大的侧部截面视图；
图7示出了下部径向轴承单元比例放大的侧部截面视图；
图8示出了下部轴向轴承单元以及多路检测单元的比例不同的俯视图，示出了剖面IX-IX；
图9示出了下部轴向轴承单元和多路检测单元在剖面IX-IX上的剖面视图；
图10示出了多路检测单元的俯视图；
图11示出了多路检测单元比例放大的侧部截面视图。
具体实施方式
图1中概略示出了处于竖立状态的涡轮分子真空泵的多个关键部件的布置。泵可在任意空间取向上运行；选择所示的竖立状态只是基于图示目的并且是为了更好地标记某个部件。接下来引入如“上部”和“下部”、“顶部”和“底部”等标记只是为了参考图1中的位置，而不是在操作中将其运行限制在这些位置。
泵包含一个磁性轴承设备1和一个由轴承设备1支撑的转子19。转子19可绕轴线101旋转，且由竖直轴杆20支撑在轴承设备中。部分环绕磁性轴承设备1的多个泵叶片191在轴杆20上端连接到轴杆20上。在轴杆20下端附近，一个水平盘21安装到轴杆上。按照从顶部到底部的顺序，磁性轴承设备1包含一个上部径向轴承单元2、一个上部传感器单元3、一个驱动马达单元4、一个下部径向轴承单元5、一个上部轴向轴承单元6、一个下部轴向轴承单元7和一个多路检测单元8。多路检测单元8延伸到在轴杆下端部和下部轴向轴承单元7之间的空隙空间内。
图2中更详细地示出了磁性轴承设备1和轴杆20。与图1中类似的部件标以同一标号。除了图1中已经介绍的单元，还示出了用于保持和保护磁性轴承设备的机壳11和底板12。在该设备顶部附近，设置一个上部接触(辅助的)滚珠轴承(touch-down ball bearing)9，用于在启动或紧急状况下卡住轴杆。一对下部接触滚珠轴承10设置在轴杆和上部轴向轴承单元6之间的环状空隙空间中。泵正常运行时，这些接触滚珠轴承是不可操作的。在多路检测单元8中，可看到多个传感器，更具体地，可看到下部径向位移传感器81、轴向位移传感器82和参照传感器84。
参照图3，示出了轴杆20自身。轴杆20大致呈圆柱对称，对称轴线101为转动轴线。轴杆20具有不同直径的部分。设置直径相对较小的顶部25用于连接泵叶片部件。从顶部到底部，接着是多个直径更大的部分，这些部分由具有限定的磁性能的环状结构22、23和24环绕，运转时，这些环状结构将分别与径向磁性轴承单元和驱动马达单元相互作用。从而，轴承单元和驱动马达单元作为定子，环状结构形成相对于定子的转子相对部分。现有技术中已公知这些环状结构的设计，这里无需讨论。在直径更小的轴杆底部26上，借助螺母27安装有水平盘21，运转时水平盘21延伸进入多路检测单元8，并且适于与设置在该单元中的传感器相互作用。
下面将参照图4至11详细描述磁性轴承设备的各个单元。
图4以放大比例示出了上部径向轴承单元2的侧部截面视图，其下方连接有上部传感器单元3。两个单元大致为环形，沿着转动轴线有一圆柱形中心孔，运行时轴杆20延伸穿过该孔。上部轴承单元包含多个由线圈202盘绕磁芯203形成的电磁铁。图4中，8个此类线圈等距离地绕孔的圆周设置；尽管使用8个线圈是有利的，该数量不是关键性的，例如，也可仅使用四个、甚至三个线圈。导线205连接到线圈用来为它们提供电流。运行时，这些电流通过线圈产生磁场，磁场又在径向轴承单元2和轴杆20的上部之间产生径向力。
在图5中以不同的侧部截面视图示出了上部传感器单元3，该剖面(图示)相对于图4绕转动轴线旋转了22.5°。单元3包含一个设计成与上部径向轴承单元2配合的保持构件301。在保持构件301的径向开口中，四个径向位移传感器31绕孔的周向等距离设置。在保持构件中有环形空隙302，在其中引导操纵传感器31的电线。尽管提供四个径向位移传感器是有利的，此数字也不是必须的。通过在两个正交的径向方向上各提供一对传感器并差动地操纵每对传感器，传感器的响应可为线性的，温度漂移可以补偿，并且可提高灵敏度。每个传感器31构造得如同一个微小电磁铁，即，它包含一个绕磁芯或非磁芯盘绕的线圈。通过监控因传感器与轴杆或安装到轴杆上的环形结构之间的距离变化而产生的线圈的电感变化或感应电压，从而监控从每个传感器31到轴杆的距离。电感效应、涡流效应、或者两种效应同时用于探测。
图6示出了驱动马达4的侧部截面视图。驱动马达单元4形成了驱动转子19转动的马达的定子部分。它包含具有线圈402的磁芯403以及用于供应电流的导线405。该单元由马达壳体406保持在适当位置，该马达壳体406与下部径向轴承单元5相配合。这种驱动马达单元的运行在现有技术中众所周知，这里无需讨论。
图7示出了下部径向轴承单元5的侧部截面视图。下部径向轴承单元5具有与上部径向轴承单元2类似的构造且具有同样的工作原理。但是，它比上部径向轴承单元2稍短，这是因为由单元5补偿的力通常比单元2补偿的力要稍小。八个线圈502绕磁芯503盘绕，线圈的数量也不是关键性的。
图8中示出了一个连接了多路检测8的下部轴向轴承单元7的俯视图。可以看到用于给下部轴向轴承单元7供电的导线705和用于与容纳在多路检测单元8中的传感器建立电连接的连接件807。剖面IX-IX由点划线示出。
图9示出了从图8的剖面IX-IX观察到的下部轴向轴承单元7和多路检测单元8的示意性剖面视图。下部轴向轴承单元7用作轴向轴承的定子的一部分。它包含水平盘绕的线圈702，使得线圈轴线与转动轴线101一致。导线705延伸到轴向轴承单元7的外部，用于为线圈702提供电流。该单元具有一个竖直中心孔，其中安装了多路检测单元8。
图10中示出了多路检测单元8自身的俯视图。在图10中剖面XI-XI以点划线示出。图11示出沿该剖面的截面视图。
多路检测单元8由底板806支撑，同时，底板806用作与底板806的周边上的插头807形成电连接的印刷电路板(PCB)。该单元包含带有中央圆柱形开口的保持构件809，用于容纳轴杆20的底端。保持构件809构造成可容纳多个传感器。在本实施方式中，四个下部径向位移传感器81、一个轴向位移传感器82、两个角速度传感器83和一个参照传感器84容纳在保持构件809中。所有传感器都是如上所述的电磁型的。下部径向位移传感器81沿圆柱形开口的圆周设置而面向该开口的圆柱面。其运行模式与上部径向位移传感器31相同。轴向位移传感器82设置在保持构件809的中央圆柱形开口的直接下方并面向该开口。轴向位移传感器82以与径向位移传感器探测径向位移相类似的方式探测轴杆20的轴向位移。由于轴向传感器无法像径向传感器那样采用成对配置而可以差示操作(differentialoperation)，一个面向固定目标的参照(虚设)传感器84也设置在保持构件809中，用于补偿轴向位移传感器的温度漂移。两个角速度传感器83靠近保持构件的边缘设置，其取向为运行时面向安装到轴杆20上的水平盘21。它们借助于水平盘21上的凹槽用来探测转动频率和转动方向。
本磁性轴承设备1的主要方面可通过返回图1看得最清楚。在磁性轴承设备1的下端附近，分别有上部和下部轴承单元6和7，一起形成了轴向轴承的定子。与水平盘21一起，形成了一个轴向轴承。下部径向轴承单元5提供第一径向轴承的定子。与轴杆20上的转子对应部分一起，形成一个径向轴承。嵌入多路检测单元8中的下部径向位移传感器81形成了一组第一径向位移传感器。它们如此设置：若从到转动轴线上的正交投影观察，上部轴向轴承单元6，即轴向轴承的一部分，设置在第一径向轴承和第一径向位移传感器之间。
与此相反，在现有技术中，为了消除或最小化在能够利用传感器信号控制轴承之前数学转换传感器信号的需求，下部径向位移传感器一般设置成尽量靠近相应的下部轴承。从而，现有技术中，避免从相应轴承上移除一个传感器，这是因为人们认为这将导致控制的不稳定性。
本发明清楚地示出不是这样。实际上，由于在分别的上部和下部径向位移传感器31和81之间的距离增加，控制甚至得到了改善。大的距离得到更优化的灵敏度，用来将整体平移运动与倾斜运动区别开来，使得更好地控制两类运动。这个改善的灵敏度是以在信号用于反馈控制之前需要数学转换来自传感器的信号作为代价。然而，若采用高级控制电路，这不是一个重大问题，因为现在高级控制电路价格很低。若采用数字电路更是如此。然后所需的转换可在数字信号处理器上容易地执行。在现有技术中已知这种数学转换，且它仅涉及标准线性代数学。
通过将下部径向位移传感器移到轴向位移传感器和角速度传感器的最接近区域，可得到概念上的简化：在创新的设计中沿着轴杆轴线方向仅存在两个而不是三个不同的传感器位置。一个位置是设置上部(第二个)径向位移传感器的区域，而另一个位置大致上容纳所有其它传感器。引到各个位置的传感器的导线可绑扎起来，从而线缆敷设变得更简单。
此外，通过将下部径向位移传感器移动到轴承设备的底部，可利用下部轴向轴承单元7中的空隙空间，而该空间在现有技术中基本上不会采用。因此，第一径向位移传感器81延伸到该空隙空间内。
在新设计中，多种传感器(径向位移传感器81、轴向位移传感器82、角速度传感器83、参照传感器84等)集成到单个多路检测单元8中。这使得产品制造得到了极大地简化。线缆敷设也再一次简化，因为整个多路检测单元只需要单个安装到PCB板上的插头。
通过将下部径向位移传感器设置到下部轴向轴承中的、轴杆20和下部轴向轴承单元7之间的空隙中，轴承设备1和轴杆20能制造得比现有技术中的长度更短。从而，设备和轴杆的整体质量也减小了。因为轴杆的质量减小，可在轴承和驱动定子中使用更小的电磁铁，进一步减小设备的重量和尺寸。此外，更短的轴杆长度导致转子的特征频率增加，这使得控制更为容易。
在另一方面，本发明还示出可设置第二(上部)径向位移传感器31，该第二径向位移传感器31嵌入到第二主动径向轴承单元2和驱动马达单元4之间的上部传感器单元3中。这使得上部径向位移传感器31紧靠驱动马达线圈402的附近区域。
与此相反，在现有技术中，上部径向位移传感器一般设置在轴承设备顶部或者设置在轴承设备顶部附近，并且从顶部到底部跟随着上部径向轴承、驱动马达定子、下部径向轴承、下部径向位移传感器、轴向轴承和轴向位移传感器。如此设置是基于一个很明显的基本原理：远离驱动马达定子线圈放置上部和下部径向位移传感器，可能会最小化驱动电流对传感器的干扰。
本发明显示，即使当传感器靠近该驱动马达线圈时，上述干扰也不会妨碍控制。潜在干扰的问题由其优点得到了更多的补偿。通过紧邻驱动马达定子单元4放置上部径向位移传感器31，上部径向轴承单元2能向上移到轴承设备顶部附近的位置。这有其优点：在上部和下部径向轴承之间出现更大的距离而总体上不会增加该设备的长度。由于杠杆效应更大，轴承需要提供更小的力，用于在轴杆上施加一定的力矩。在这种设计中可以容忍在分别的上部和下部径向位移传感器31和81之间的距离的不可避免的缩短，因为下部径向位移传感器81已经位于轴承设备的最底部，从而没有显著地危及灵敏度。
在前面的描述中，所有传感器31、81、82、83和84一直描述为电磁类型的传感器，它具有盘绕到磁芯的小线圈。当然，也可使用其他合适类型的传感器。同一申请人的名称为“在多个方向上非接触测量距离的设备”(Device for contact-less measurement of distance in multiple directions)的欧洲专利申请No.02 406 013.9中公开了一种不同类型传感器的重要例子，这种传感器将会进一步减小磁性轴承设备的尺寸。在该申请中，公开了一种在铁磁体或导体的多个方向上非接触测量距离的设备。提供了多个感应元件，其中至少一个大致放置在该导体周围。其它感应元件设置在该元件附近。所有这些元件可集成在单个印刷电路板上。通过对设置成环绕该导体的感应元件提供射频(rf)电流而操纵上述设备。导体的位移改变了在其它感应元件位置上的射频磁场，从而改变这些元件中的感应射频电压。这样，利用单个印刷电路板，可构造能探测多个方向上位移的传感器。可在本磁性轴承设备中有利地采用这种传感器，特别是用作第一(下部)或第二(上部)径向位移传感器。通过将这些传感器集成在薄印刷电路板上，轴承设备的长度甚至可以进一步减小。

Claims (11)

1.一种可旋转地支撑转子(19)绕转动轴线(101)转动的磁性轴承设备(1)，该磁性轴承设备(1)包含一个第一主动径向轴承(5)、一个或多个径向位移传感器(81)和一个轴向轴承(6，7)，其特征在于，若从到转动轴线(101)上的正交投影观察，轴向轴承(6)的至少一部分设置在第一主动径向轴承(5)和第一径向位移传感器(81)之间。
2.如权利要求1所述的磁性轴承设备，其特征在于，该磁性轴承设备包含一个第二主动径向轴承(2)，并且，若从到转动轴线(101)上的正交投影观察，所述第一主动径向轴承(5)设置在轴向轴承(6，7)和第二主动径向轴承(2)之间。
3.如权利要求2所述的磁性轴承设备，其特征在于，该磁性轴承设备包含一个驱动马达(4)和第二径向位移传感器(31)，若从到转动轴线(101)上的正交投影观察，该驱动马达设置在第一主动径向轴承和第二主动径向轴承之间，并且，若从到转动轴线(101)上的正交投影观察，第二径向位移传感器(31)设置在第二主动径向轴承(2)和驱动马达(4)之间。
4.如权利要求1至3中任一项所述的磁性轴承设备，其特征在于，所述轴向轴承(6，7)提供了一个空隙空间，并且，所述第一径向位移传感器(81)延伸到轴向轴承(7)的空隙空间内。
5.如权利要求1至4中任一项所述的磁性轴承设备，其特征在于，该设备进一步包含一个或多个轴向位移传感器(82)，并且，所述第一径向位移传感器(81)和该轴向位移传感器(82)集成在单个多路检测单元(8)中。
6.如权利要求5所述的磁性轴承设备，其特征在于，该设备进一步包含一个或多个角速度传感器(83)，并且，该角速度传感器(83)集成在所述多路检测单元(8)中。
7.一种真空泵，更具体地是涡轮分子真空泵，包含一个磁性轴承设备(1)和一个可转动地支撑在该磁性轴承设备(1)中的转子(19)，其特征在于，该磁性轴承设备(1)为依据权利要求1至6中任一项所述的磁性轴承设备。
8.一种依据权利要求1至6中任一项所述的磁性轴承设备中的多路检测单元(8)，用于确定一个泵的转子(19)的特性，该多路检测单元(8)包含一个保持构件(809)和多个连接到该保持构件的传感器(81、82、83、84)，其中至少一个传感器(81、82、83、84)为径向位移传感器(81)，并且至少一个传感器(81、82、83、84)为轴向位移传感器(82)。
9.如权利要求8所述的多路检测单元(8)，其特征在于，所述保持构件(809)适于设置在所述磁性轴承设备中，使得若从到转动轴线(101)上的正交投影观察，所述轴向轴承(6)的至少一部分设置在所述第一主动径向轴承(5)和该多路检测单元(8)之间。
10.如权利要求8或9所述的多路检测单元(8)，其特征在于，所述保持构件(809)适于设置在所述磁性轴承设备中，从而该多路检测单元(8)至少部分延伸到该磁性轴承设备的轴向轴承(6，7)提供的空隙空间中。
11.如权利要求8至10中任一项所述的多路检测单元(8)，其特征在于，该多路检测单元包含的传感器(81、82、83、84)中至少一个是角速度传感器(83)。
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