磁悬浮技术在分子泵轴承上的应用

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1、分子泵中的磁悬浮轴承

  轴承是分子泵的关键部件。轴承的质量、性能和寿命直接影响分子泵的性能和使用寿命。现阶段常见的分子泵轴承有滚珠轴承和正在发展中的磁悬浮轴承。磁悬浮轴承是利用磁力作用将转子悬浮于空中,使转子与定子之间没有机械接触。其原理是磁感应线与磁浮线垂直,轴心与磁浮线平行,因此转子的重量就固定在运转的轨道上(如图4所示),利用几乎无负载的轴心往反磁浮线方向顶撑,形成整个转子悬空,在固定运转轨道上。

分子泵中的磁悬浮轴承

  滚珠轴承结构简单,价格便宜,现在仍然被大量使用,而且新开发的脂润滑式的分子泵也可实现小型化,随着材料科学的进步,越来越多的滚珠轴承使用了陶瓷材料,维修周期也可在两年以上。但磁悬浮式分子泵依然是现代分子泵发展的主流趋势,因为磁悬浮轴承有着其他种类轴承不可替代的优势:

  1)不用任何润滑油,可实现完全无油化。

  2)由于转子与定子之间没有机械接触,轴承的寿命非常长。

  3)与传统轴承相比,转子可运行到很高的转速。

  4)振动与噪声很低。

  5)泵的安装姿态不受限制,可任意角度安装。

2、磁悬浮轴承的应用

  由于磁悬浮轴承所体现出的众多优点,从20世纪70年代开始,许多真空设备公司就开始研究此项技术,使其应用于分子泵技术领域。经过真空技术网(www.chvacuum.com)翻阅文献查得:1976年,德国LEYBOLD公司开发了世界上第一台完全无接触的磁悬浮轴承分子泵。其结构与现在广泛使用的磁悬浮轴承结构有所不同,分子泵中心轴是固定的,转子绕中心轴旋转。但由于技术并不成熟,事故多,成本高,未能普及。直至20世纪80年代中期,日本一些真空设备制造公司,在德国的磁悬浮技术基础上进行改进,开发出结构更为合理,性能更为先进的内环式旋转磁悬浮涡轮分子泵。

  刚体在空间固定时,需要控制其三个平移自由度和三个回转自由度。对于涡轮分子泵的转子来说,为保证其正常工作,沿轴线回转的自由度不能限制,其余五个自由度需加以控制。磁悬浮轴承对其转子的支撑力及自由度的控制可通过永久磁铁及电磁铁来实现。对五个自由度进行控制的磁悬浮轴承称为五轴控制型,对四个自由度进行控制的称为四轴控制型,同理,磁悬浮轴承还有三轴控制型、两轴控制型及一轴控制型。磁悬浮轴承的控制轴数越多,制造成本越高,但五轴控制型磁悬浮轴承仍为发展的主流。在磁悬浮技术中,电磁力是由电磁铁或永久磁铁在磁路中产生磁通而发挥承载作用的。承载能力与电磁铁最大吸引力有关。

  作为驱动力的电磁铁吸引力由下式表示:

  F=B02A00

  式中 F ——吸引力;B0——空隙中磁感应强度;A0——定子与转子铁心间空隙横截面面积;μ0——真空磁导率

  通常,磁悬浮轴承定子和转子均采用磁性材料,定子铁心磁导率与转子铁心磁导率均远大于真空磁导率。通过磁感应强度公式及安培环路定律,可得出磁悬浮轴承承载力为

  F =B 02A 0/μ 0=…=(μ 0n 2A 0/4)(I 2/x 2)=k (I 2/x 2)

  式中 n ——线圈匝数;I——后力磁电流;x——定子与转子铁心间气隙长度。

  根据以上公式确定磁悬浮轴承电磁铁主要结构尺寸及参数。当磁悬浮轴承设计完成,结构参数确定时,k 为常数。承载力主要在两个方面对磁悬浮轴承有很大影响:一方面对于设计磁悬浮轴承参数的影响,当承载力增大时,磁悬浮轴承的线圈匝数、结构尺寸、电流及能耗都会随之增大。反之则会减小。另一方面是对于已定的磁悬浮轴承能量损失的影响,由于承载力的主要影响因素是转子的惯性离心力,这相当于一个外加的扰动力,使定子和转子之间的气隙x 在一定范围内变化,造成损失。

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