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          資料詳情 TECHNICAL

          磁懸浮技術在分子泵中的應用

           發表時間:2022-12-28

                  1、分子泵中的磁懸浮軸承

                 軸承是分子泵的關鍵部件。軸承的質量、性能和壽命直接影響分子泵的性能和使用壽命?,F階段常見的分子泵軸承有滾珠軸承和正在發展中的磁懸浮軸承。磁懸浮軸承是利用磁力作用將轉子懸浮于空中,使轉子與定子之間沒有機械接觸。其原理是磁感應線與磁浮線垂直,軸心與磁浮線平行,因此轉子的重量就固定在運轉的軌道上,利用幾乎無負載的軸心往反磁浮線方向頂撐,形成整個轉子懸空,在固定運轉軌道上。

                

                 滾珠軸承結構簡單,價格便宜,現在仍然被大量使用,而且新開發的脂潤滑式的分子泵也可實現小型化,隨著材料科學的進步,越來越多的滾珠軸承使用了陶瓷材料,維修周期也可在兩年以上。但磁懸浮式分子泵依然是現代分子泵發展的主流趨勢,因為磁懸浮軸承有著其他種類軸承不可替代的優勢:

                 1)不用任何潤滑油,可實現完全無油化。

                 2)由于轉子與定子之間沒有機械接觸,軸承的壽命非常長。

                 3)與傳統軸承相比,轉子可運行到很高的轉速。

                 4)振動與噪聲很低。

                 5)泵的安裝姿態不受限制,可任意角度安裝。

                 2、磁懸浮軸承的應用

                 由于磁懸浮軸承所體現出的眾多優點,從20世紀70年代開始,許多真空設備公司就開始研究此項技術,使其應用于分子泵技術領域。1976年,德國L E Y B O L D公司開發了世界上第一臺完全無接觸的磁懸浮軸承分子泵。其結構與現在廣泛使用的磁懸浮軸承結構有所不同,分子泵中心軸是固定的,轉子繞中心軸旋轉。但由于技術并不成熟,事故多,成本高,未能普及。

                 直至20世紀80年代中期,日本一些真空設備制造公司,在德國的磁懸浮技術基礎上進行改進,開發出結構更為合理,性能更為先進的內環式旋轉磁懸浮渦輪分子泵。

                 剛體在空間固定時,需要控制其三個平移自由度和三個回轉自由度。對于渦輪分子泵的轉子來說,為保證其正常工作,沿軸線回轉的自由度不能限制,其余五個自由度需加以控制。磁懸浮軸承對其轉子的支撐力及自由度的控制可通過永久磁鐵及電磁鐵來實現。對五個自由度進行控制的磁懸浮軸承稱為五軸控制型,對四個自由度進行控制的稱為四軸控制型,同理,磁懸浮軸承還有三軸控制型、兩軸控制型及一軸控制型。磁懸浮軸承的控制軸數越多,制造成本越高,但五軸控制型磁懸浮軸承仍為發展的主流。

                 在磁懸浮技術中,電磁力是由電磁鐵或永久磁鐵在磁路中產生磁通而發揮承載作用的。承載能力與電磁鐵最大吸引力有關。

                 作為驅動力的電磁鐵吸引力由下式表示:

           

                  式中F ——吸引力;B0——空隙中磁感應強度;A0——定子與轉子鐵心間空隙橫截面面積;μ0——真空磁導率。

                  通常,磁懸浮軸承定子和轉子均采用磁性材料,定子鐵心磁導率與轉子鐵心磁導率均遠大于真空磁導率。通過磁感應強度公式及安培環路定律,可得出磁懸浮軸承承載力為

           

                  式中n ——線圈匝數;I——后力磁電流;x——定子與轉子鐵心間氣隙長度。

                  根據以上公式確定磁懸浮軸承電磁鐵主要結構尺寸及參數。當磁懸浮軸承設計完成,結構參數確定時,k 為常數。

                  承載力主要在兩個方面對磁懸浮軸承有很大影響:一方面對于設計磁懸浮軸承參數的影響,當承載力增大時,磁懸浮軸承的線圈匝數、結構尺寸、電流及能耗都會隨之增大。反之則會減小。另一方面是對于已定的磁懸浮軸承能量損失的影響,由于承載力的主要影響因素是轉子的慣性離心力,這相當于個外加的擾動力,使定子和轉子之間的氣隙x 在一定范圍內變化,造成損失。

           

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