磁懸浮技術(shù)在分子泵軸承上的應(yīng)用
1、分子泵中的磁懸浮軸承
軸承是分子泵的關(guān)鍵部件。軸承的質(zhì)量、性能和壽命直接影響分子泵的性能和使用壽命。現(xiàn)階段常見的分子泵軸承有滾珠軸承和正在發(fā)展中的磁懸浮軸承。磁懸浮軸承是利用磁力作用將轉(zhuǎn)子懸浮于空中，使轉(zhuǎn)子與定子之間沒有機(jī)械接觸。其原理是磁感應(yīng)線與磁浮線垂直，軸心與磁浮線平行，因此轉(zhuǎn)子的重量就固定在運(yùn)轉(zhuǎn)的軌道上(如圖4所示)，利用幾乎無負(fù)載的軸心往反磁浮線方向頂撐，形成整個轉(zhuǎn)子懸空，在固定運(yùn)轉(zhuǎn)軌道上。
滾珠軸承結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，現(xiàn)在仍然被大量使用，而且新開發(fā)的脂潤滑式的分子泵也可實現(xiàn)小型化，隨著材料科學(xué)的進(jìn)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(xiàn)代分子泵發(fā)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(yōu)勢：
1)不用任何潤滑油，可實現(xiàn)完全無油化。
2)由于轉(zhuǎn)子與定子之間沒有機(jī)械接觸，軸承的壽命非常長。
3)與傳統(tǒng)軸承相比，轉(zhuǎn)子可運(yùn)行到很高的轉(zhuǎn)速。
4)振動與噪聲很低。
5)泵的安裝姿態(tài)不受限制，可任意角度安裝。
2、磁懸浮軸承的應(yīng)用
由于磁懸浮軸承所體現(xiàn)出的眾多優(yōu)點(diǎn)，從20世紀(jì)70年代開始，許多真空設(shè)備公司就開始研究此項技術(shù)，使其應(yīng)用于分子泵技術(shù)領(lǐng)域。經(jīng)過真空技術(shù)網(wǎng)(bjjyhsfdc.com)翻閱文獻(xiàn)查得：1976年，德國LEYBOLD公司開發(fā)了世界上第一臺完全無接觸的磁懸浮軸承分子泵。其結(jié)構(gòu)與現(xiàn)在廣泛使用的磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)有所不同，分子泵中心軸是固定的，轉(zhuǎn)子繞中心軸旋轉(zhuǎn)。但由于技術(shù)并不成熟，事故多，成本高，未能普及。直至20世紀(jì)80年代中期，日本一些真空設(shè)備制造公司，在德國的磁懸浮技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，開發(fā)出結(jié)構(gòu)更為合理，性能更為先進(jìn)的內(nèi)環(huán)式旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)自由度。對于渦輪分子泵的轉(zhuǎn)子來說，為保證其正常工作，沿軸線回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xiàn)。對五個自由度進(jìn)行控制的磁懸浮軸承稱為五軸控制型，對四個自由度進(jìn)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(shù)越多，制造成本越高，但五軸控制型磁懸浮軸承仍為發(fā)展的主流。在磁懸浮技術(shù)中，電磁力是由電磁鐵或永久磁鐵在磁路中產(chǎn)生磁通而發(fā)揮承載作用的。承載能力與電磁鐵最大吸引力有關(guān)。
作為驅(qū)動力的電磁鐵吸引力由下式表示：
F=B02A0/μ0
式中 F ——吸引力;B0——空隙中磁感應(yīng)強(qiáng)度;A0——定子與轉(zhuǎn)子鐵心間空隙橫截面面積;μ0——真空磁導(dǎo)率
通常，磁懸浮軸承定子和轉(zhuǎn)子均采用磁性材料，定子鐵心磁導(dǎo)率與轉(zhuǎn)子鐵心磁導(dǎo)率均遠(yuǎn)大于真空磁導(dǎo)率。通過磁感應(yīng)強(qiáng)度公式及安培環(huán)路定律，可得出磁懸浮軸承承載力為
F =B 02A 0/μ 0=…=(μ 0n 2A 0/4)(I 2/x 2)=k (I 2/x 2)
式中 n ——線圈匝數(shù);I——后力磁電流;x——定子與轉(zhuǎn)子鐵心間氣隙長度。
根據(jù)以上公式確定磁懸浮軸承電磁鐵主要結(jié)構(gòu)尺寸及參數(shù)。當(dāng)磁懸浮軸承設(shè)計完成，結(jié)構(gòu)參數(shù)確定時，k 為常數(shù)。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(shè)計磁懸浮軸承參數(shù)的影響，當(dāng)承載力增大時，磁懸浮軸承的線圈匝數(shù)、結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)子的慣性離心力，這相當(dāng)于一個外加的擾動力，使定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙x 在一定范圍內(nèi)變化，造成損失。
