用于磁軸承的轉(zhuǎn)子的永磁鐵陣列和組裝該陣列的方法
【專利摘要】當(dāng)用于渦輪分子泵中時(shí)，由磁軸承組件的旋轉(zhuǎn)磁鐵陣列中的永磁鐵的非對(duì)稱的磁化產(chǎn)生的雜散磁場(chǎng)可引起裝置(如，掃描電子顯微鏡)的重大問(wèn)題。為了最大限度地減少雜散場(chǎng)，首先要至少測(cè)量陣列中的各個(gè)磁鐵的偶極矩和四極矩。然后，相對(duì)于彼此布置陣列中的磁鐵，使得偶極矩和四極矩兩者都最大限度地減少，從而使渦輪分子泵中的磁鐵陣列旋轉(zhuǎn)時(shí)的雜散磁場(chǎng)最大限度地減少。
【專利說(shuō)明】用于磁軸承的轉(zhuǎn)子的永磁鐵陣列和組裝該陣列的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及磁軸承領(lǐng)域。具體而言，涉及一種用于減少由高速旋轉(zhuǎn)機(jī)器(如，渦輪分子泵)中的永磁軸承裝置引起的橫向的雜散磁場(chǎng)的設(shè)備和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]渦輪分子泵被用作真空系統(tǒng)的一部分，真空系統(tǒng)用于產(chǎn)生裝置(如，掃描電子顯微鏡(SEM)和平板印刷裝置)所需的高真空環(huán)境。
[0003]渦輪分子泵普遍包括泵的高真空端中的無(wú)油被動(dòng)永磁軸承裝置。
[0004]圖1中示出了渦輪分子泵(未示出)的被動(dòng)永磁軸承裝置10的截面。在該實(shí)例中，軸承裝置10包括四個(gè)外部旋轉(zhuǎn)的永磁鐵環(huán)12a，12b, 12c和12d的陣列12和四個(gè)內(nèi)部非旋轉(zhuǎn)的永磁鐵環(huán)14a，14b, 14c和14d的陣列14，其布置成使得外部旋轉(zhuǎn)的陣列12以同心的方式環(huán)繞內(nèi)部靜止的陣列14。磁鐵全部由稀土磁性材料形成。外部陣列12附接于渦輪分子泵(未示出)的轉(zhuǎn)子上，其中靜止陣列14附接于所述泵的定子上。由于機(jī)械強(qiáng)度和實(shí)際結(jié)構(gòu)的原因，一般情況下外部環(huán)陣列形成軸承裝置的旋轉(zhuǎn)部分而內(nèi)部環(huán)形成為靜止部分。
[0005]在該實(shí)例中，各個(gè)陣列12，14中的磁環(huán)12a到12d和14a到14d的磁化分別大致與泵轉(zhuǎn)子(未示出)的旋轉(zhuǎn)軸線4對(duì)準(zhǔn)。磁化方向已經(jīng)由箭頭指出，其中各個(gè)箭頭的頭部指出北極。
[0006]磁鐵布置在各個(gè)陣列內(nèi)，使得它們相對(duì)于彼此相互排斥；即，陣列中的近端磁鐵以相同磁極接觸相同陣列中的其最鄰近的磁鐵(例如，磁鐵12a和12b以其南極接觸彼此)。各個(gè)陣列中的外部磁環(huán)12a，12d, 14a, 14d均使其北極面向最外面。
[0007]裝置10的各個(gè)陣列12，14中的磁鐵12a到12d和14a到14d定向成在陣列12，14之間提供相互排斥，且因此產(chǎn)生幾乎無(wú)摩擦的軸承。
[0008]很多其它構(gòu)造是可能的，其使用不同數(shù)目的環(huán)，具有軸向或徑向磁化，且布置成用于轉(zhuǎn)子與定子之間的排斥力或吸引力。盡管多種構(gòu)造都是可能的，但在環(huán)中的磁化方向相對(duì)于其幾何軸線完美地對(duì)稱時(shí)，它們?nèi)慷甲罴训貓?zhí)行。
[0009]旋轉(zhuǎn)陣列12的環(huán)12a到12d中的磁化在圖1中示為相對(duì)于其幾何軸線4完美地對(duì)稱。然而，事實(shí)上，由于磁環(huán)的制造工藝的實(shí)際局限性，各個(gè)磁環(huán)12a到12d(且同樣對(duì)于磁鐵14a到14d)的磁化都是不完美的。這在圖2a和圖2b中示出了。如圖2a中指出那樣，在軸向地磁化的永磁環(huán)中觀察到的最大磁性不對(duì)稱通常為較小的角度誤差，使得磁鐵的軸線以幾度的角移離幾何軸線4。取決于磁鐵的品質(zhì)或等級(jí)，角度誤差Θ可多達(dá)3°。該誤差可被認(rèn)為是對(duì)理想的軸向磁化的小擾動(dòng)；實(shí)際上，橫向磁偶極矩8疊加在預(yù)期的軸向偶極矩6上,如圖2b中所示。
[0010]除橫向偶極(一階)不對(duì)稱外，還存在較高階次的不對(duì)稱，例如，四極不對(duì)稱和六極不對(duì)稱。不對(duì)稱的程度或磁場(chǎng)強(qiáng)度通常隨極數(shù)的增大而減小。
[0011]在這些較小的不對(duì)稱出現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)磁鐵陣列12的任何環(huán)12a到12d中的情況下，生成了時(shí)變磁場(chǎng)(該磁場(chǎng)對(duì)靜止磁鐵14a到14d是恒定的)。這些2，4和6個(gè)極的不對(duì)稱分別以是泵轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度的1，2，3倍的頻率生成時(shí)變磁場(chǎng)。
[0012]掃描電子顯微鏡的性能極易受機(jī)械振動(dòng)或從渦輪分子泵發(fā)射的雜散磁場(chǎng)影響。已知的是，雜散場(chǎng)直接干擾電子束或儀器的電路。
[0013]盡管普遍使用鐵磁屏蔽來(lái)減少此類磁場(chǎng)發(fā)射，但此類屏蔽很昂貴且僅具有有限的效果。
[0014]因此，所期望的是，由備選的器件來(lái)減小這些時(shí)變雜散磁場(chǎng)的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]在本發(fā)明的第一方面中，提供了一種組裝永磁鐵軸承裝置的旋轉(zhuǎn)磁鐵陣列的方法，所述旋轉(zhuǎn)陣列包括至少四個(gè)永久環(huán)形磁鐵，該方法包括以下步驟:
相對(duì)于所述環(huán)形磁鐵上的基準(zhǔn)點(diǎn)獨(dú)立地測(cè)量至少四個(gè)環(huán)形磁鐵的至少一階橫向雜散磁場(chǎng)和二階橫向雜散磁場(chǎng)(即，橫向偶極和四極雜散場(chǎng))的大小和相位(矢量)；
計(jì)算或驗(yàn)算陣列內(nèi)的所述至少四個(gè)磁鐵中的各個(gè)磁鐵的相對(duì)角定向和相對(duì)磁極性方向，當(dāng)組裝好該陣列時(shí)，其將提供最小的時(shí)變磁場(chǎng)；以及根據(jù)所述計(jì)算結(jié)果組裝磁鐵陣列。
[0016]通過(guò)磁鐵環(huán)的最佳選擇和組裝，以便若干旋轉(zhuǎn)環(huán)的不對(duì)稱的磁化大致相互抵消。通過(guò)沿〃向上〃和〃向下〃的定向計(jì)算磁鐵的所有排列和所有其相對(duì)角定向的效果，有可能確定磁鐵的最佳構(gòu)造，以用于最大限度地減小大多數(shù)雜散磁場(chǎng)。
[0017]然后，可根據(jù)計(jì)算結(jié)果執(zhí)行處于優(yōu)選定向和排列的一組磁鐵的測(cè)量結(jié)果，以確定完成的陣列上的雜散場(chǎng)和/或雜散場(chǎng)的測(cè)量結(jié)果。
[0018]所附權(quán)利要求中限定了本發(fā)明的其它優(yōu)選的和/或最佳的方面。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]為了可更好地理解本發(fā)明，現(xiàn)在將參照所附附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例，實(shí)施例僅以實(shí)例的方式給出，在附圖中:
圖1為被動(dòng)磁軸承裝置的截面示圖。
[0020]圖2a為永久環(huán)形磁鐵的不對(duì)稱磁化的示圖。
[0021]圖2b為永久環(huán)形磁鐵的不對(duì)稱磁化的示圖。
[0022]圖3為根據(jù)本發(fā)明用于執(zhí)行測(cè)量的設(shè)備的示意圖。
[0023]圖4為四個(gè)環(huán)形磁鐵系統(tǒng)的減小的雜散橫向偶極矩磁場(chǎng)的示圖。
[0024]圖5為四個(gè)環(huán)形磁鐵系統(tǒng)的雜散橫向偶極矩和四極矩磁場(chǎng)的示圖。
[0025]圖6為四個(gè)環(huán)形磁鐵系統(tǒng)的減小的雜散橫向偶極矩和四極矩磁場(chǎng)的示圖。
[0026]圖7為根據(jù)本發(fā)明的四個(gè)磁鐵陣列測(cè)量的流程圖。
[0027]圖8為根據(jù)本發(fā)明的四個(gè)磁鐵陣列測(cè)量的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]圖3為根據(jù)本發(fā)明用于執(zhí)行測(cè)量的設(shè)備的示意圖。磁鐵測(cè)量站(或磁對(duì)準(zhǔn)裝備)50包括磁鐵旋轉(zhuǎn)區(qū)段58，60，62，64，66和磁場(chǎng)測(cè)量區(qū)段56，54，68，70，72。[0029]磁鐵旋轉(zhuǎn)區(qū)段包括用于使磁鐵旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)62。馬達(dá)62由速度控制裝置64(如，換流器)和電源66驅(qū)動(dòng)。附接到馬達(dá)62上的非磁性心軸或轉(zhuǎn)子60經(jīng)由非磁性的工作臺(tái)52向上延伸到磁鐵支座58 (也為非磁性的)中。馬達(dá)定位成離磁鐵支座和測(cè)量站都十分遠(yuǎn)，以便從所述馬達(dá)62發(fā)射的任何磁場(chǎng)都不干擾所獲取的任何測(cè)量結(jié)果。轉(zhuǎn)子優(yōu)選為由非磁性的軸承裝置(未示出)支承在遠(yuǎn)離馬達(dá)、貼近磁鐵支座58的端部處，以確保磁鐵能夠在大致沒(méi)有振動(dòng)或移動(dòng)的情況下旋轉(zhuǎn)。磁鐵支座58包括附接到心軸60上的底座58a和軸向夾持裝置58b。底座58a包括大致平的表面58c，環(huán)形磁鐵12a收納在其上，其中中心軸(未示出)優(yōu)選為從底座向上延伸。該軸與環(huán)形磁鐵的內(nèi)圓周的直徑大致相同，以便在旋轉(zhuǎn)期間防止磁鐵徑向移動(dòng)。軸向的夾持裝置58b包括內(nèi)開(kāi)孔，其也與中心軸的直徑大致匹配。夾持裝置58b優(yōu)選為以螺紋布置來(lái)附接到底座58a上。還提供了相位基準(zhǔn)拾取裝置80，以探測(cè)心軸在旋轉(zhuǎn)期間的角位置。例如，拾取裝置80可使用光觸發(fā)器，如，底座58a上的基線或基準(zhǔn)線。拾取裝置與計(jì)算機(jī)72通信。
[0030]磁場(chǎng)測(cè)量區(qū)段包括由非磁性支承件54支承在工作臺(tái)52上的磁場(chǎng)測(cè)量裝置56。測(cè)量裝置56可為磁通門傳感器、霍爾效應(yīng)傳感器或具有能夠解析具有小于500pT的噪音的InT的靈敏度的探查線圈。傳感器56連接到信號(hào)調(diào)節(jié)裝置68、快速傅里葉變換階次跟蹤裝置70，以及計(jì)算機(jī)72上。計(jì)算機(jī)172設(shè)有軟件，以基于所獲取的各個(gè)磁鐵的測(cè)量結(jié)果計(jì)算磁鐵的優(yōu)選構(gòu)造和/或排列。
[0031]在使用中，待測(cè)量的獨(dú)立磁鐵12a放置在磁鐵支座的底座58a上，定位成北極方向向下?？蓛H為由筆產(chǎn)生的標(biāo)記的基準(zhǔn)點(diǎn)置于環(huán)形磁鐵12a上，以與底座58a上的基準(zhǔn)基線匹配。然后，磁鐵12a利用夾持裝置58b在該位置中固定到磁鐵支座上。
[0032]磁鐵12a和傳感器56應(yīng)對(duì)準(zhǔn)，使得傳感器軸線84與磁鐵12a的外圓周的中緯線對(duì)準(zhǔn)(即，位于其北極與南極之間的中間)。
[0033]為了表現(xiàn)各個(gè)磁鐵的磁場(chǎng)的特點(diǎn)，馬達(dá)62旋轉(zhuǎn)，該馬達(dá)經(jīng)由心軸60和磁鐵支座58使磁鐵12a旋轉(zhuǎn)。馬達(dá)在21Hz到24Hz之間運(yùn)行。心軸60和磁鐵支座58應(yīng)可重復(fù)地定向磁鐵，使得磁場(chǎng)傳感器56的軸線處于磁鐵的平面中，以〈1° (即，與標(biāo)稱磁化軸線正交)。旋轉(zhuǎn)軸60和支座58a上的磁鐵鄰接面的(軸向)間隙應(yīng)〈10 μ m(l μ m的間隙或0.0019°的磁鐵傾斜等于0.6nT的誤差)。
[0034]與拾取裝置80、信號(hào)調(diào)節(jié)器68、快速傅里葉變換分析器70和計(jì)算機(jī)72組合的傳感器56探測(cè)和記錄磁鐵的橫向磁場(chǎng)的大小和相位數(shù)據(jù)。應(yīng)測(cè)量和記錄各個(gè)磁鐵的至少一階橫向雜散磁場(chǎng)和二階橫向雜散磁場(chǎng)(即，橫向偶極雜散場(chǎng)和四極雜散場(chǎng))。然而，也可收集更高階次的多極(如六極)橫向場(chǎng)數(shù)據(jù)。
[0035]如果正在執(zhí)行的用于包括至少四個(gè)磁鐵的永磁軸承裝置10的旋轉(zhuǎn)磁鐵陣列12的過(guò)程，則該過(guò)程重復(fù)用于至少三個(gè)其它磁鐵12b，12c, 12d。在旋轉(zhuǎn)的至少20秒內(nèi)收集各個(gè)磁鐵的數(shù)據(jù)。
[0036]然后計(jì)算陣列12內(nèi)的四個(gè)磁鐵12a，12b, 12c, 12d中的各個(gè)磁鐵的相對(duì)角定向(相比于在測(cè)量步驟期間在各個(gè)磁鐵上產(chǎn)生的基準(zhǔn)點(diǎn))和相對(duì)磁極性方向，這將向組裝好的陣列12提供旋轉(zhuǎn)期間的最小時(shí)變磁場(chǎng)。
[0037]如圖4中所示，如果計(jì)算限于僅減少雜散的橫向偶極或一階磁場(chǎng)，則在4個(gè)旋轉(zhuǎn)磁鐵環(huán)的陣列中，僅需要考慮4個(gè)磁鐵環(huán)的4個(gè)橫向偶極矩(21，22，23，24)的矢量相加。通過(guò)相對(duì)于彼此旋轉(zhuǎn)陣列中的4個(gè)環(huán)，有可能產(chǎn)生磁鐵的相對(duì)角定向，其中4個(gè)獨(dú)立的偶極矩(21，22，23，24)形成閉合的四邊形，且因此具有為零的矢量和(只要沒(méi)有獨(dú)立磁鐵具有大于另外三個(gè)磁鐵的和的偶極矩)。有可能的是，以若干相對(duì)角定向方式形成該四邊形，且仍實(shí)現(xiàn)為零的矢量和。提供為零的總的偶極的4個(gè)環(huán)形磁鐵裝置可以說(shuō)具有一個(gè)自由度。
[0038]在各個(gè)陣列中具有3個(gè)旋轉(zhuǎn)磁鐵的磁軸承的旋轉(zhuǎn)磁鐵陣列還可布置成用以形成閉合的三角形(取決于3個(gè)矢量的相對(duì)大小)，但僅存在一個(gè)相對(duì)定向，且因此沒(méi)有自由度。一般說(shuō)來(lái)，N個(gè)磁鐵系統(tǒng)可組裝為具有N-3的自由度的最小偶極矩。
[0039]然后當(dāng)除偶極矩外還考慮二階四極矩雜散場(chǎng)造成時(shí)變場(chǎng)時(shí)，將發(fā)現(xiàn)的是，四極矩與偶極矩的方向之間不存在特定的關(guān)系，以便滿足偶極矩的為零的矢量和大體上不產(chǎn)生四極矩的為零的和。然而，僅就偶極來(lái)說(shuō)，4個(gè)磁鐵的構(gòu)造給出I個(gè)自由度，存在小于零的自由度來(lái)實(shí)現(xiàn)偶極和四極兩者都為零的和，因?yàn)樵搯?wèn)題是無(wú)解的。這在圖5中示出了。4個(gè)偶極21，22，23，24布置成為零的和，但對(duì)應(yīng)的4個(gè)四極矢量31，32，33，34不具有零的和，而作為替代，形成組合的矢量100。
[0040]然而，由于旋轉(zhuǎn)陣列12中的磁鐵12a，12b, 12c, 12d中的兩個(gè)需要定向成北磁極向上，而兩個(gè)定向成北極向下。物理地顛倒兩個(gè)磁鐵增加了自由度的數(shù)目，且相比于未顛倒的裝置，其使四極的相位相對(duì)于偶極為反向的。因此，如圖6中所示，磁鐵偶極21，22，23，24造成的總的橫向場(chǎng)可保持為零，同時(shí)將四極31，32，33，34的總的效果200減小了至少一半。
[0041]計(jì)算機(jī)72計(jì)算陣列12內(nèi)的四個(gè)磁鐵12a，12b, 12c, 12d中的各個(gè)磁鐵的相對(duì)角定向(相比于在測(cè)量步驟期間在各個(gè)磁鐵上產(chǎn)生的基準(zhǔn)點(diǎn))和相對(duì)磁極性方向，其提供在旋轉(zhuǎn)期間最小的時(shí)變雜散偶極橫向磁場(chǎng)和四極橫向磁場(chǎng)。
[0042]將明顯的是，還將有利地測(cè)量大批量的磁鐵上的雜散磁場(chǎng)(比如20)，且然后執(zhí)行上述計(jì)算以確定多達(dá)五個(gè)不同的磁鐵陣列，各個(gè)陣列均包括具有最佳的較低雜散磁場(chǎng)發(fā)射的四個(gè)磁鐵。
[0043]通過(guò)考慮時(shí)變場(chǎng)和使用迭加原理可執(zhí)行計(jì)算。
[0044]總的雜散場(chǎng)=A+B+C+D其中:
?A=Al * COS( Θ l+φ I) +A2 * COS(2 * θ 1+Φ I)
?B=Bl * COS ( Θ 2+ Φ 2) +B2 * COS (2 * θ 2+Φ2)
?C=Cl * COS ( Θ 3+ Φ 3) +C2 * COS (2 * θ 3+Φ3)
?D=Dl * COS( Θ + φ4) +D2 * COS(2 * θ + Φ4)
其中:
?Θ 1= Θ +Tl; Θ 2= θ +Τ2; Θ 3= θ +Τ3 ;
?Φη和Ψη分別為偶極矩和四極矩的相位角。
[0045]Tl, Τ2和Τ3為可對(duì)獨(dú)立磁鐵進(jìn)行的旋轉(zhuǎn)調(diào)整量。
[0046]根據(jù)所提到的情況，Φη和Ψη對(duì)的兩個(gè)必須為反向的(以表示顛倒的磁鐵)而兩個(gè)為正向的。
[0047]目標(biāo)在于通過(guò)改變Tl，Τ2, Τ3和Φη和Ψ η對(duì)的組合的符號(hào)使針對(duì)O≤θ ≤2乳最大限度地減小總數(shù)A的峰到峰值。
[0048]來(lái)自由計(jì)算機(jī)72所計(jì)算的所得輸出需要指出: a)組裝順序，即，哪個(gè)磁鐵占據(jù)陣 列12中的哪個(gè)位置。[0049]b)各個(gè)磁鐵相對(duì)于基準(zhǔn)(角)零的旋轉(zhuǎn)。
[0050]c)陣列12的nT峰-峰中的預(yù)測(cè)的雜散磁場(chǎng)。
[0051]即使四個(gè)磁鐵12a到12d中的任何一者都不適合成組地使用，計(jì)算機(jī)72上的軟件也應(yīng)指出哪個(gè)磁鐵將由另一個(gè)候選磁鐵替換，且該循環(huán)從頭再開(kāi)始。
[0052]一旦已經(jīng)計(jì)算一組四個(gè)磁鐵12a到12d的相對(duì)角定向和相對(duì)磁極性方向，就可根據(jù)該計(jì)算結(jié)果布置陣列12且在磁鐵測(cè)量站上核對(duì)陣列。
[0053]如果執(zhí)行此進(jìn)一步的步驟，則傳感器軸線84應(yīng)與磁鐵陣列的外圓周的中間(即，在圖1中的磁鐵12b和12c之間)大致對(duì)準(zhǔn)。在離一組四個(gè)磁鐵的軸線200mm處測(cè)量到的目標(biāo)時(shí)變最大橫向雜散場(chǎng)為180nT峰-峰。
[0054]圖7和圖8中示出了用于獨(dú)立磁鐵和陣列測(cè)量的流程圖。
[0055]然后，根據(jù)本發(fā)明組裝的陣列12可組裝成軸承裝置，以配合到高速旋轉(zhuǎn)機(jī)器中，如，渦輪分子泵。
[0056]優(yōu)化的軸承組件可單獨(dú)使用，或與被動(dòng)屏蔽或主動(dòng)消除件組合，以更進(jìn)一步減少雜散場(chǎng)。
【權(quán)利要求】
1.一種組裝磁軸承裝置的可旋轉(zhuǎn)的永磁鐵陣列的方法，所述旋轉(zhuǎn)陣列包括至少四個(gè)永久環(huán)形磁鐵，所述方法包括以下步驟: 相對(duì)于所述環(huán)形磁鐵上的基準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)量所述至少四個(gè)環(huán)形磁鐵中的各個(gè)磁鐵的至少一階橫向雜散磁場(chǎng)矢量和二階橫向雜散磁場(chǎng)矢量； 計(jì)算所述陣列內(nèi)的各個(gè)磁鐵的相對(duì)角定向和相對(duì)磁極性方向，使得在組裝和旋轉(zhuǎn)所述至少四個(gè)磁鐵時(shí)，最大限度地減小所述時(shí)變磁場(chǎng)；以及 根據(jù)所述計(jì)算結(jié)果組裝所述磁鐵陣列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組裝可旋轉(zhuǎn)的磁鐵陣列的方法，其特征在于，所述方法包括附加步驟:一旦根據(jù)所述計(jì)算步驟組裝好，則測(cè)量所述陣列的一階橫向雜散磁場(chǎng)矢量和二階橫向雜散磁場(chǎng)矢量。
3.一種包括根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的方法組裝的至少四個(gè)永久環(huán)形磁鐵的永磁鐵軸承裝置的可旋轉(zhuǎn)的磁鐵陣列。
4.一種包括可旋轉(zhuǎn)磁鐵陣列的軸承裝置，所述可旋轉(zhuǎn)磁鐵陣列包括根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的方法組裝的至少四個(gè)永久環(huán)形磁鐵。
5.一種包括根據(jù)權(quán)利要求4所述的軸承裝置的高速旋轉(zhuǎn)的裝置。
6.一種包括根據(jù)權(quán)利要求4所述的軸承裝置的渦輪泵。
【文檔編號(hào)】G01R33/12GK103635704SQ201280021991
【公開(kāi)日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2012年5月4日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月6日
【發(fā)明者】B.D.布魯斯特, A.韋 申請(qǐng)人:愛(ài)德華茲有限公司