分子泵用磁悬浮轴承研究

1 分子泵用磁悬浮轴承 摘 要：磁悬浮轴承以其无摩擦、不需润滑的特点，成为解决真空分子泵油污染、多角度安装等多种问题的最佳方案之一。真空分子泵的行业标准和工业需求，对磁悬浮轴承的设计提出了较高的要求。针对分子泵的特点，设计了5自由度主动控制的磁悬浮轴承，通过系统辨识获得了准确的系统模型，通过对系统模态的抑制，达到了良好的控制效果。经过实验测量，采用磁悬浮轴承支承的分子泵的性能完全达到了工业要求。 关键词：磁悬浮；磁轴承；分子泵

Magnetic bearing for molecular pump Abstract: The magnetic bearing has been one of best solutions for molecular pumps to solve the problems of oil pollution and installation in any orientation since its contactless and oil-free properties. The industry standard and demands of molecular pumps require high design level of magnetic bearing. The magnetic bearings have achieved good performance by 5-axis active control, identifying accurate models and reducing vibration levels. The experiment results show molecular pumps with magnetic bearings completely meet the industry requirements Key words: magnetic suspension, active magnetic bearing, molecular pump

0 引言 分子泵是利用高速旋转的转子把动量传输给气体分子，使之获得定向速度，从而被压缩、被驱向排气口后为前级抽走的一种真空泵[1]。其应用领域包括分析、半导体工业、光学、玻璃工业、涂层技术、真空冶炼、检漏技术、科研设备、照明用具行业等。为解决生产中传统分子泵润滑油蒸汽返流和滚珠轴承引起的振动问题，1976年德国LEYBOLD公司首先开发出了磁悬浮涡轮分子泵[2]。其径向采用永磁悬浮轴承，轴向采用电磁悬浮轴承，即单自由度主动控制，称为1轴磁悬浮分子泵。之后相继出现了3轴磁悬浮分子泵和5轴磁悬浮分子泵。目前工业生应用中5轴磁悬浮分子泵占有主流地位。除LEYBOLD公司外，德国PFEIFFER公司，法国ALCATEL公司，英国BOCEDWARDS公司，日本岛津公司等都有成熟的磁悬浮分子泵产品。目前，世界上有超过60000台的磁悬浮分子泵运行在工业现场。 为追赶与国外的技术差距，提高国内装备水平，开发自主知识产权的磁悬浮分子泵产品具有重要的产业和社会意义。

1 分子泵对磁悬浮轴承的要求 分子泵的转子需要高速旋转，因而要求磁悬浮轴承转子能够达到较高的转速，某些情况需要超临界运行。受材料和加工条件的限制，国产分子泵转子叶轮允许的最高转速一般在30000rpm以内。以CXF1800型分子泵为例，其额定转速为27000rpm，文中未作特殊说明均针对为此型号分子泵配套的FS450型磁悬浮轴承。 分子泵转子的高速旋转必然产生振动，这对于真空应用设备是有危害的，但是国家标准中并没有给出分子泵振动的定量指标[3],国内真空行业对泵体振动的要求一般为小于0.1um。 2

采用机械轴承的分子泵一般要对转子进行精确动平衡，以及采用弹性减振结构进行被动的减振。磁悬浮轴承由于具备主动控制的条件，除动平衡外，还可以通过算法对振动进行主动抑制。 对于动平衡，分子泵对转子许可不平衡量为[4]： 0.107/Gmn (1)

式中 m——转子的质量，g； n——转子旋转频率，s-1。

2 结构设计 图1所示为磁悬浮分子泵的总体结构，其内部为包含高速电机的5轴磁悬浮系统，磁悬浮轴承转轴上端安装叶轮（含阵列状动叶片），动叶片间隙处穿插安装静叶片。为提高强度，高速旋转条件下保证安全，叶轮采用整体加工工艺。由于真空度的要求，磁轴承的全部引线都需要经过密封插头引出泵外。 图2示意了转子的结构，包括磁悬浮主轴和与之连接的叶轮。初步分析，该转子结构在控制上有两个难点：主轴与叶轮的连接部位一阶弯曲频率较低；阵列排布的叶片容易被激起振动，且由于各层叶片的几何形状和尺寸的差异，造成振动成分复杂。

图1 磁悬浮分子泵结构 3 图2 分子泵转子组件

3 控制器设计和系统辨识 五自由度系统的运动方程可以整理成如下形式： 0CIBSBBUKZKGZMZ (2)

其中M为分布质量矩阵，G为陀螺矩阵，SK为力-位移系数矩阵，IK为力-电流系

数矩阵， T54321],,,,[xxxxxZB为位移向量， T54321],,,,[cccccCIIIIIU为控制电流向量。

（2）式展开后即为： 000201122334455000001100000011000011000000110000000000000abpBBa

b

sisisBiCsisi

mmmmJZZmmlmmmkkkkkZkUkkkk









 (3)

采用LQR控制器设计方法，分别选取系统的状态向量、控制向量和输出向量为：

T1234512345(),,,,,,,,,txxxxxxxxxxX

Tc1c2c3c4c5(),,,,tIIIIIU 4

T12345(),,,,tyyyyyY

则系统状态方程表示为：



CXYBUAXX



(4)

其中， 



GMKMIAs1150

，IKMB10，05IC，BBZZX

设)()(tYtZ，将状态方程改写为： UBXAX1111 (5)

其中，

ZXX1，001CAA，

01BB。

取线性二次型性能指标函数为： 011)(dtRUUQXXJTT (6)

Q阵选取为如下形式的矩阵：





555IQIQIQQ

ID

P (7)

R取单位阵。 针对该系统的需求，首先以较小的刚度选取Q阵，450Hz时，可得反馈矩阵，进而可实现初步的静态悬浮，在此基础上即可对系统进行辨识，辨识结果如图3、图4。对比两图不难看出，安装了叶轮的转子组件，在200~300Hz之间存在一个明显的模态，该模态频率小于额定转频，会对系统的工作产生明显影响，需要进行特别处理。实际上在静态悬浮时，此模态就很容易被激发，控制器设计中必须在该频率点提供足够的阻尼。

图3 径向开环辨识bode图（无叶轮） 5

图4 径向开环辨识bode图（有叶轮） 4 磁悬浮分子泵实验结果 国家标准中对分子泵性能有多项考核指标，其中抽速和压缩比是最重要的两项指标。此外由于磁悬浮轴承的定子线圈会发热，还需对轴承发热情况进行考核。 泵的抽气速率单位是m3/s或l/s，是指泵装有标准试验罩，并按规定条件工作时，从试验罩流过的气体流量与在试验罩指定位置测得的平衡压强之比。简称泵的抽速。图5为抽速测试曲线，达到分子泵设计抽速要求。

图5 抽速测试曲线 压缩比是指泵对给定气体的出口压强与入口压强之比。压缩比除与泵的级数和转速有关外，还与气体种类有关。分子量大的气体有高的压缩比。图6为实验测得磁悬浮分子泵对氮气和氢气的压缩比曲线。 6

图6 压缩比测试曲线 在轴承内部安装热电阻，即可对轴承内部温度进行测量，在分子泵正常工作条件下测量轴承磁极处温度并记录绘制曲线如图7、图8，可以看出在达到热平衡之后，轴承温度维持在40度以内。

图7 轴向轴承温度曲线 图8 径向轴承温度曲线 5 结论 磁悬浮轴承在分子泵应用上具有无油、振动可控、可多角度安装等优势。所设计的磁悬浮轴承很好的满足了真空分子泵的需求，性能接近国外同类产品水平。在分子泵上的成功应用为磁悬浮轴承的产业推广起到了良好的示范作用。

参考文献： [1] 张以忱.机械真空泵[J].真空,1995(5). [2] 杨乃恒，巴德纯，王晓冬，于治明. 分子泵的世纪回顾与展望，真空，2001年4月第2期，1～14. [3] GB/T 7774-2007 真空技术 涡轮分子泵性能参数的测量 [4] 王晓冬，巴德纯，张世伟，张以忱.真空技术[M].北京：冶金工业出版社，2006年。