TW202421927A - 磁性軸承輪轂及真空泵 - Google Patents

Abstract

本發明揭示一種用於一真空泵之磁性軸承輪轂，其包括：連接至該真空泵之殼體之一基座元件及自該基座元件延伸之一耳軸，其中該耳軸經構形以接納該磁性軸承之一靜態磁性元件，其中該耳軸具有一預定斷裂點。

Description

磁性軸承輪轂及真空泵

本發明係關於一種用於真空泵之磁性軸承輪轂及一種具有此一磁性軸承輪轂之真空泵。

普通真空泵且特別是渦輪分子泵包括具有一入口及一出口之一殼體。在殼體中，一轉子總成由一電馬達旋轉，且由一軸承或軸承系統支撐。轉子總成包括與至少一個定子元件相互作用之至少一個轉子元件，以便將一氣態介質自入口輸送至出口。特定言之，對於渦輪分子泵，轉子總成包括與定子之葉片相互作用之複數個葉片。其中，轉子總成通常由兩個軸承支撐，其中軸承可構建為滾子軸承或磁性軸承。特定言之，朝向入口側(即轉子總成在真空泵入口方向上之端)之軸承可構建為永久磁性軸承。其中，一旋轉磁性元件連接至轉子，其中一靜態磁性軸承連接至殼體。靜態磁性軸承及旋轉磁性軸承緊密接近且相互排斥，以便支撐轉子軸。其中，永久磁性軸承之靜態磁性元件可配置在延伸至轉子總成之一凹部中之一耳軸處，使得旋轉磁性元件圍繞靜態磁性元件。耳軸係藉由腹板或支腿連接至殼體，腹板或支腿有時亦稱為「蛛形架」或「包絡」，以提供耳軸之結構穩定性，且因此提供永久磁性軸承本身之結構穩定性。

歸因於高旋轉速度，存在在真空泵碰撞時必須釋放之高旋轉力。因此，存在真空泵之零件進入所連接之真空裝置且造成損壞之風險。若保持耳軸之腹板以一不受控制的方式斷裂，則情況尤其如此。

因此，本發明之一目的是提供一種磁性軸承輪轂及一種真空泵，其中在真空泵碰撞時，連接至真空泵之真空裝置之損壞減少。

問題係藉由如技術方案1之一磁性軸承輪轂及如技術方案11之一真空泵來解決。

在一第一態樣，本發明係關於一種用於真空泵且特別是用於渦輪分子真空泵之磁性軸承輪轂。該磁性軸承輪轂包括一基座元件，該基座元件例如經由兩個或更多個腹板或支腿連接至真空泵之殼體。此外，該磁性軸承輪轂包括自該基座元件延伸之一耳軸，其中該耳軸經構形以接納該磁性軸承之一靜態磁性元件。特定言之，該靜態磁性元件可包括若干永磁環。在經組裝狀態下，該耳軸可延伸至該真空泵之一轉子總成之一凹部中，其中該靜態磁性元件由連接至該轉子總成之一旋轉磁性元件圍繞。替代地，該靜態磁性元件圍繞該旋轉磁性元件。根據本發明，該耳軸具有一預定斷裂點。因此，在該真空泵碰撞時，該耳軸在該預定斷裂點處斷裂且與該基座元件分離。連接至該腹板之該基座元件與該耳軸之間的此分開將保護該腹板免受斷裂或損壞，且將幫助該轉子總成碰撞定子元件。藉此，該轉子總成之旋轉係藉由此等組件之間的摩擦而制動。因此，保護腹板免受破裂，且藉此避免該真空泵之大碎片被投到連接至該真空泵之真空裝置之真空室中。此外，藉由控制組件之斷裂可釋放能量，藉此亦降低額外組件斷裂之風險。

較佳地，該預定斷裂點由一薄壁區段構建。因此，該預定斷裂點由該薄壁區段提供，其中該薄壁區段是具有減小之壁厚之一區段，以使得能夠在該薄壁區段之該位置處斷裂。

較佳地，該薄壁區段構建為一圓周凹槽。其中，該凹槽可構建在該耳軸之內表面處。然而，為了便於製造，該凹槽設置在該耳軸之外表面處，其中藉由該凹槽減小該耳軸之壁厚。

較佳地，該凹槽具有一圓錐形或楔形形狀或一矩形形狀。藉由形狀之特定選擇，可訂做該預定斷裂點之穩定性，其中能夠在該真空泵碰撞時在該凹槽之該位置處使耳軸斷裂。

較佳地，該薄壁區段由一內孔構建，該內孔自與該基座元件相對之一端延伸至耳軸中，直至該薄壁區段之軸向端，或軸向延伸超過該薄壁區段。因此，藉由該內孔，耳軸之材料強度降低，從而容許該耳軸與該基座元件分離。

較佳地，與剩餘耳軸之壁厚相比，薄壁區段具有小於80%之一減小之壁厚。因此，若剩餘耳軸之最小壁厚為10 mm，則一較佳實施例是該薄壁區段具有小於8 mm之一壁厚。較佳地，該薄壁區段具有小於60%之一減小壁厚，且最佳地小於50%之一減小壁厚。藉由選擇該壁厚，一方面保持該磁性軸承輪轂之足夠穩定性，而另一方面容許該磁性軸承輪轂在該薄壁區段之區域中斷裂。

較佳地，該薄壁區段之一截面面積小於一個支腿或腹板之一截面面積。特定言之，該薄壁區段之截面面積在一個支腿或腹板之截面面積之4%與20%之間，較佳地在4%與10%之間，且更佳地在5%與8%之間。

較佳地，該預定斷裂點經構形以在一碰撞期間，即在碰撞後高達20 ms且較佳地高達10 ms之一時間視窗中，在該真空泵轉子之最大扭矩之10%至50%時斷裂。其中，在一碰撞期間，可觀察到自1 kN至2.2 kN之扭矩值。然而，此等值取決於該轉子速度、泵類型及其他參數。更佳地，該預定斷裂點經構形以在真空泵之轉子之最大扭矩之15%至40%時斷裂，且最佳地在該最大扭矩之20%至25%時斷裂。因此，確保將斷裂之第一部分之一是與承載該磁性軸承輪轂之蛛形架支腿或腹板分離之耳軸，且較佳地在不損壞腹板或蛛形架支腿之情況下斷裂。

較佳地，該預定斷裂點配置在該靜態磁性元件與該基座元件之間。藉此，確保該靜態磁性元件與該耳軸一起與該基座元件分離。特定言之，在碰撞期間，該旋轉磁性元件及該靜止磁性元件塌陷且彼此連接。此外，藉由使該等磁性元件塌陷在一起，易碎磁性材料被限制且不能逃逸到該真空泵及/或真空裝置之其他區域中。同時，該基座元件之耳軸裂口亦藉由磁力附接至轉子總成，且不能以一不期望之方式逃逸。然而，額外地或替代地，腹板亦可阻擋朝向真空泵之入口突出之任何零件。替代地或額外地，該預定斷裂點直接地配置在該基座元件旁邊。

替代地或額外地，該預定斷裂點配置在該真空泵之一轉子之軸向端與該基座元件之間。因此，該預定斷裂點在軸向上超過該轉子之該軸向端，或至少在軸向上超出延伸至耳軸中之轉子延伸部，使得該耳軸圍繞該轉子/轉子延伸部之軸向端，且能夠分離該耳軸。

較佳地，該預定斷裂點經構形以在真空泵之操作頻率範圍內不激起磁性軸承及/或包絡/蛛形架或泵之任何其他總成及子總成之固有頻率。因此，除了確定磁性軸承輪轂之斷裂之外，該預定斷裂點可經構形以在操作期間在真空泵之頻率範圍內提供減小之共振。其中，該磁性軸承輪轂之共振頻率可藉由預定斷裂點之形狀來訂做，即，調適凹槽之形狀、引入多於一個凹槽或其類似者，或藉由使用特定材料以便填充此等凹槽中之一或多者或提供一弱化區段作為預定斷裂點。

較佳地，該磁性軸承輪轂僅包括一個預定斷裂點。替代地，該磁性軸承輪轂包括多於一個預定斷裂點，其中此等多於一個預定斷裂點經構形以在碰撞時在該轉子施加之不同扭矩/徑向負載或相同扭矩/徑向負載下斷裂。

在另一態樣，本發明關於一種真空泵，其包括具有一入口及一出口之一殼體、一轉子總成，其中該轉子總成由至少一個永磁性軸承支撐。其中，該磁性軸承包括如以上描述之一磁性軸承輪轂。

較佳地，該磁性軸承構建在該真空泵之吸入側處，即，在該轉子總成之朝向真空側之入口配置之端處。

較佳地，該磁性軸承輪轂經由腹板連接至殼體，其中此等腹板較佳地與該殼體及/或磁性軸承輪轂一體地構建。因此，腹板可與該殼體，即真空泵之凸緣或磁性軸承輪轂一體地構建。替代地，腹板與殼體及磁性軸承輪轂一體地構建。因此，藉由將腹板及磁性軸承輪轂構建為單件而增強穩定性。

較佳地，該預定斷裂點經構形以在該等腹板與該殼體之間的連接及/或該等腹板與該磁性軸承輪轂之間的連接斷裂之前斷裂。

較佳地，腹板及/或磁性軸承輪轂由鋁、不銹鋼或碳纖維材料製成。其中，特別是腹板及/或磁性軸承輪轂係藉由增材製造程序諸如3D列印構建。替代地，腹板及/或磁性軸承輪轂係藉由傳統機械加工方法構建。

較佳地，該等腹板具有一預定斷裂點，該預定斷裂點較佳地配置在該等腹板與該殼體之間的連接處。其中，腹板之該預定斷裂點經構形以在旋轉力及/或徑向力下斷裂，該等旋轉力及/或徑向力大於磁性軸承輪轂之預定斷裂點斷裂所需之力。因此，確保耳軸首先與基座元件分離。在任何情況下，若在下一步驟中沒有發生分離，則該等腹板可在該預定斷裂點斷裂，以避免真空泵之組件以一不受控制之方式斷裂而造成損壞。

圖1之真空泵包括一殼體10，該殼體具有一入口12及一出口14。其中，在真空泵之入口側處連接一凸緣13。利用凸緣13，真空泵可連接至一真空裝置。真空泵包括一轉子總成16，其中複數個轉子元件34連接至轉子總成。轉子元件34構建為與連接至殼體10之定子元件36之葉片相互作用之葉片。此外，圖1之真空泵包括一Holweck級38，其包括一旋轉圓柱體40及一帶螺紋定子42，其中Holweck級38配置在渦輪分子泵級之下游。代替Holweck級38，可存在其他分子拖曳級，諸如一Siegbahn級。

轉子總成16由一電馬達32旋轉且由一滾子軸承33可旋轉地支撐在轉子總成之出口側處，即在轉子總成16朝向出口14之端處且與轉子總成16朝向真空泵之入口12之軸向端相對。此外，轉子總成由配置在轉子總成16之入口側之磁性軸承18可旋轉地支撐。磁性軸承18包括一磁性軸承輪轂21。磁性軸承輪轂21經由腹板25或支腿連接至殼體10，且特別是連接至真空泵之凸緣13。磁性軸承輪轂21包括連接至腹板25之一基座元件24。此外，磁性軸承輪轂21包括自基座元件24延伸至轉子總成16之一凹部中之一耳軸20。磁性軸承18之一靜態磁性元件連接至耳軸20，該靜態磁性元件由連接至轉子總成16之一旋轉磁元件圍繞。其中，該靜態磁性元件及該旋轉磁性元件可包括相互排斥之複數個磁環，以便支撐轉子總成。磁性軸承輪轂21之耳軸20可包括自與基座元件24相對之一端延伸至耳軸中之一孔26。轉子總成16之一軸向延伸部29延伸至此孔26中。此外，應急軸承30可配置在圍繞轉子總成16之軸向延伸部29之此孔26中。

根據本發明，磁性軸承輪轂21包括一預定斷裂點，該預定斷裂點在圖1之實例中構建為凹槽28。其中，凹槽28可為一凹陷部分，以便在凹槽28之區域中提供一薄壁區段。替代地，凹槽28可填充有一較弱材料，諸如塑膠、一較軟金屬，以容許在轉子總成16碰撞到真空泵之定子元件36時耳軸20與基座元件24分離。此外，孔26軸向延伸直至預定斷裂點(即凹槽28)之端，以進一步減小在預定斷裂點處之材料厚度，且容許耳軸之斷裂及耳軸20與基座元件24之分離。

因此，在真空泵歸因於磁性軸承輪轂21之預定斷裂點而撞毀時，耳軸20斷開且與基座元件24分離，而不會損壞或斷裂腹板25。同時，歸因於磁性軸承之靜態磁性元件與旋轉磁性元件之間的磁力，鬆動耳軸20歸因於磁力而與轉子總成16一起塌陷，且因此不會產生可突出至不想要區域中之一部分，即連接至真空泵之真空裝置。

其中，在附圖之實例中構建為凹槽28之預定斷裂直接配置在基座元件24旁邊且在磁性軸承18之靜態磁性元件之上方。此外，預定斷裂點軸向地配置在轉子總成16之軸向延伸部29之外，以容許轉子元件34與定子元件36以及旋轉圓柱體40及帶螺紋定子42之間的完全分離及實現其等之間的接觸，以儘可能快地打斷轉子總成16之旋轉。

此外，腹板25可在腹板25與凸緣13之間的連接點44處或在腹板25與磁性軸承輪轂21之基座元件24之間具有預定斷裂點，使得若在任何情況下耳軸與基座元件24之一受控分離是不可能的，則腹板25以一受控方式斷裂。

10:殼體 12:入口 13:凸緣 14:出口 16:轉子總成 18:磁性軸承 20:耳軸 21:磁性軸承輪轂 24:基座元件 25:腹板或支腿 26:孔 28:凹槽 29:軸向延伸部 30:應急軸承 32:電馬達 33:滾子軸承 34:轉子元件 36:定子元件 38:Holweck級 40:圓柱體 42:帶螺紋定子 44:連接點

在下文中，參照附圖更詳細地描述本發明。

圖示展示：

圖1是根據本發明之一渦輪分子泵之一示意圖，

圖2是磁性軸承輪轂之一細節圖，及

圖3是圖1之真空泵之一俯視圖。

20:耳軸

21:磁性軸承輪轂

24:基座元件

25:腹板或支腿

26:孔

28:凹槽

Claims (15)

1. 一種用於一真空泵之磁性軸承輪轂，其包括： 一基座元件，其連接至該真空泵之殼體，及 一耳軸，其自該基座元件延伸，其中該耳軸經構形以接納該磁性軸承之一靜態磁性元件， 其中該耳軸具有一預定斷裂點。
2. 如請求項1之磁性軸承輪轂，其中該預定斷裂點由一薄壁區段構成。
3. 如請求項2之磁性軸承輪轂，其中該薄壁區段構建為一圓周凹槽。
4. 如請求項3之磁性軸承輪轂，其中凹槽具有一楔形形狀或一矩形形狀。
5. 如請求項2至4中任一項之磁性軸承輪轂，其中薄壁區段由一內孔構建，該內孔自與該基座元件相對之一端延伸至該耳軸中，直至該薄壁區段之端或超出該薄壁區段。
6. 如請求項2至5中任一項之磁性軸承輪轂，其中與剩餘耳軸之壁厚相比，該薄壁區段具有小於80%之一減小壁厚，較佳地小於60%，且最佳地具有小於50%之一減小壁厚。
7. 如請求項1至6中任一項之磁性軸承輪轂，其中該預定斷裂點經構形以在該真空泵之一轉子之最大扭矩之10%至50%時斷裂，較佳地在該最大扭矩之15%至40%時斷裂，且最佳地在該最大扭矩之20%至25%時斷裂。
8. 如請求項1至7中任一項之磁性軸承輪轂，其中該預定斷裂點配置在該靜態磁性元件與該基座元件之間；及/或 其中該預定斷裂點直接配置在該基座元件旁邊；及/或 其中該預定斷裂點配置在該真空泵之一轉子之端與該基座元件之間。
9. 如請求項1至8中任一項之磁性軸承輪轂，其中該預定斷裂點經構形以在該真空泵之操作頻率範圍內抑制該磁性軸承輪轂及/或該真空泵之一腹板之固有頻率。
10. 一種包括具有一入口及一出口之一殼體、一轉子總成的真空泵，其中該轉子總成由至少一個磁性軸承支撐，其中該磁性軸承包括如請求項1至9中任一項之一磁性軸承輪轂。
11. 如請求項10之真空泵，其中該磁性軸承輪轂經由腹板連接至該殼體，且其中該等腹板較佳地與該殼體及/或該磁性軸承輪轂一體地構建。
12. 如請求項11之真空泵，其中該預定斷裂點經構形以在該等腹板與該殼體之間的連接斷裂之前斷裂。
13. 如請求項11或12之真空泵，其中薄壁區段之一截面之一面積小於一個腹板之一截面之一面積，其中較佳地該薄壁區段之該截面之該面積在該一個腹板之該截面之該面積之4%與20%之間，更佳地在4%與10%之間，且最佳地在5%與8%之間。
14. 如請求項11至13中任一項之真空泵，其中該等腹板及/或該磁性軸承輪轂由鋁、不銹鋼或碳纖維材料製成，較佳由增材製造製成。
15. 如請求項11至14中任一項之真空泵，其中該等腹板具有一預定斷裂點，該預定斷裂點較佳地配置在該等腹板與該殼體之間的連接處。