霍尔维克拖曳泵的制作方法

本发明涉及一种霍尔维克(holweck)拖曳泵，并且具体而言，涉及一种具有用于输送气体介质的非金属螺旋开槽表面的霍尔维克拖曳泵。本发明还涉及一种用于真空泵中的永磁马达以及一种包括所述永磁马达和/或所述霍尔维克拖曳泵的真空泵。

背景技术：

1、包括例如涡轮分子泵机构的已知真空泵包括提供入口和出口的壳体。该壳体可收容一个或多个泵机构。涡轮分子泵机构可形成这些机构中的一个，并且一般包括具有倾斜转子叶片的多个轴向隔开的环形阵列的至少一个转子。通常，这些叶片在每个阵列内规则地隔开，并且从转子轴径向向外延伸。泵的定子围绕转子，并且包括在轴向方向上与转子叶片的阵列交替的倾斜定子叶片的至少一个环形阵列。各对相邻转子叶片阵列和定子叶片阵列在本文中称为一层级(level)。涡轮分子泵机构可包括多个这样的层级。

2、通常，马达被布置在壳体内，以在泵的操作期间旋转转子轴。该马达可为感应马达或永磁马达。随着转子旋转，转子叶片冲击气体介质的进入分子。该冲击将叶片的机械能转换成气体分子动量，这些分子通过泵被引向泵出口。

3、真空泵通常可包括涡轮分子泵级，继之以至少一个分子拖曳级，诸如霍尔维克拖曳泵或西格班(siegbahn)泵。已知的霍尔维克分子拖曳级包括与定子相邻布置的旋转缸体，其间具有间隙，本文中称为通道，其中，该定子或缸体具有螺旋槽或螺纹。气体分子与旋转转子的冲击对其赋予刺激速度，从而导致气体介质沿该通道的位移。

4、为了提高分子拖曳级的效率，并且由此提高作为整体的真空泵的压缩比，可绕转子轴设置若干同心分子拖曳级通道。因此，期望在分子拖曳级中设置多个通道。通常，对可包括在真空泵中的分子拖曳通道的数量的限制因素为泵的总可用尺寸。真空泵通常为较大系统的一部分，该较大系统具有为容纳该真空泵而留出的容积。因此，可期望提供减小尺寸的真空泵。

5、由于分子拖曳级通道同心布置，因此当真空泵处于使用中时，气流通过的方向在每个相邻通道之间逆转。因此，出于实用目的，通常仅使用奇数个分子拖曳级，使得最后通道的出口远离可容易定位泵出口的涡轮分子泵机构定位。因此，当前的霍尔维克分子拖曳泵的设计自由度在一定程度上受到约束，这可能会降低泵系统的效率。

6、不断需要改进的霍尔维克分子拖曳级，其制造更高效、更简单且更便宜，提高真空泵的压缩比，并且在设计上提供高自由度。

7、本发明至少部分地解决现有技术的这些和其他问题。

技术实现思路

1、因此，在第一方面，本发明提供了一种霍尔维克拖曳泵，其包括用于输送气体介质的非铁磁螺旋开槽表面。该表面由该霍尔维克拖曳泵的马达定子的面向转子轴的表面或由转子轴的外表面提供。优选地，该表面由该霍尔维克拖曳泵的马达定子的面向转子轴的表面或转子轴的面向马达定子的外表面提供。

2、优选地，该表面提供该霍尔维克拖曳泵的最内和/或最后通道。该最后最内和/或最后通道可直接流体连接到该霍尔维克拖曳泵的出口。

3、马达定子优选地构造成产生用于将扭矩传输到转子上的电磁驱动场。马达定子可具有芯，其包括优选地绕中心磁性、特别是软磁性和/或金属的材料设置的绕组。通常，这些绕组为金属的。优选地，该霍尔维克拖曳泵包括围绕转子轴的马达定子，并且基本上没有铁磁材料位于该马达定子的线圈缠绕的芯的面向转子轴的表面与该转子轴的金属表面之间。

4、在该马达定子与转子轴之间为一间隙，特别是径向延伸的间隙。优选地，该间隙沿轴向方向、即沿平行于转子的旋转轴线的方向沿该马达定子延伸。该电磁驱动场跨越该间隙延伸，以将驱动扭矩传输至转子轴。

5、本发明人已发现，特别是在马达定子上采用铁磁螺旋开槽表面可能是不利的。在使用中，这样的铁磁表面可存在于由该霍尔维克拖曳泵的马达产生的电磁驱动场中。铁磁表面的存在可通过形成寄生涡流来破坏该电磁驱动场，并且因此可降低马达的效率。此外，在这样的表面中诱发的寄生涡流当存在于电磁场中时可导致该表面的局部温度增加和热膨胀。该表面的热膨胀是不期望的，因为必须提供增大的容限，这又可能会降低马达的效率。

6、有利地，该非铁磁螺旋开槽表面可存在于由霍尔维克拖曳泵的马达产生的电磁驱动场中，而对该电磁驱动场具有最小的干扰。该非铁磁螺旋开槽表面可为该霍尔维克拖曳泵提供附加的泵容量。因此，设置这样的非铁磁表面可使得能够实现提高的泵送性能，而不负面影响马达效率。

7、出于本发明的目的，螺旋开槽表面可为限定在表面中的基本上凹形的螺旋槽。为避免疑义，所述或每个螺旋槽可由形成在该表面上的一个或多个对应的凸形螺旋螺纹限定。优选地，所有槽为非铁磁的。优选地，所述槽为整体式的。所述槽的相对厚度可取决于预期用途来选择。

8、该螺旋开槽表面可包括一个或多个螺旋槽，例如从大约1个至大约15个螺旋槽。所述螺旋槽可为基本上恒定螺距的螺旋，或替代地可为可变螺距螺旋。螺旋槽可具有基本上为矩形、梯形、半圆形或其他剖面凸形的轮廓。螺旋槽的剖面轮廓和/或尺寸可为一致的或可沿螺旋槽的长度变化。

9、有利地，由于包括该螺旋槽的表面为非铁磁的，因此存在高度的设计自由度可用于该螺旋槽的布置。与铁磁表面中的螺旋槽对比，在非铁磁表面中设置螺旋槽导致对马达的电磁驱动场的微不足道的破坏。因此，本发明提高了螺旋开槽表面的设计自由度，同时允许泵的高效操作。

10、优选地，该至少一个螺旋槽从马达定子的表面的第一端轴向延伸至第二端或沿转子轴的马达定子的长度延伸一定距离。

11、在实施例中，该霍尔维克拖曳泵可包括导管，其限定延伸穿过该霍尔维克拖曳泵的轴向通路。该轴向通路可从泵的基部中的开口延伸至轴向超过泵入口的开口。该转子轴和马达定子可围绕该导管延伸。该导管可与转子轴的旋转轴线同轴。

12、优选地，限定该轴向通路的导管可位于该非铁磁螺旋开槽表面的径向内部。优选地，限定该轴向通路的导管可位于转子轴内。

13、有利地，穿过该霍尔维克拖曳泵的该轴向通路可提供供连接器、安装轴、电源和/或其他部件通过该霍尔维克拖曳泵的中心路径，如关于本文限定的另一方面的实施例更详细地论述的。此可有助于提供均匀的气流，特别是当该霍尔维克拖曳泵的入口被连接到涡轮分子泵机构的出口时。

14、在另一方面，本发明提供了一种用于真空泵中的永磁马达。该永磁马达包括真空泵的转子轴和马达定子。该马达定子的面向转子轴的表面和该转子轴的面向马达定子的表面形成霍尔维克拖曳泵的通道。所述表面中的一个为非铁磁的，并且提供用于输送气体介质的螺旋槽。

15、优选地，包括该永磁马达的该真空泵可包括霍尔维克拖曳泵机构。更优选地，该永磁马达的霍尔维克拖曳泵的该通道可被流体连接到所述霍尔维克拖曳泵机构。

16、优选地，该表面提供该霍尔维克拖曳泵的最内和/或最后通道。该最后最内和/或最后通道可被流体连接到该霍尔维克拖曳泵的出口。

17、优选地，马达定子的面向转子轴的表面螺旋开槽以用于输送气体介质并且为非铁磁的。转子轴的面向马达定子的表面可为基本上平滑的。出于本发明的目的，基本上平滑可限定无螺旋槽的表面。有利地，如果转子具有平滑(例如，无特征)的表面并且螺旋槽位于定子上，则转子的平衡可更容易。

18、如关于前述方面阐述的，马达定子优选地构造成产生用于将扭矩传输至转子上的电磁驱动场。马达定子可具有芯，其包括优选地绕中心磁性、特别是软磁性和/或金属的材料设置的绕组。通常，这些绕组为金属的。优选地，基本上没有铁磁材料位于马达定子的线圈缠绕的芯的面向转子轴的表面与转子轴的金属表面之间。

19、在该马达定子与转子轴之间为一间隙，特别是径向延伸的间隙。优选地，该间隙沿轴向方向、即沿平行于转子的旋转轴线的方向沿该马达定子延伸。该电磁驱动场跨越该间隙延伸，以将驱动扭矩传输至转子轴。

20、通常，转子轴被马达定子径向围绕，并且转子轴和马达定子由间隙径向分隔。优选地，该间隙在轴向方向上、即在该转子轴的旋转轴线的方向上延伸穿过该马达。

21、如上文所论述的，本发明人已发现，由于马达的电磁驱动场的破坏以及寄生涡流在该表面中的形成，特别是在马达定子上采用铁磁螺旋开槽表面可能是不利的。

22、有利地，非铁磁螺旋开槽表面可存在于由永磁马达产生的电磁驱动场中，而对该电磁驱动场具有最小的干扰。已经发现，由该霍尔维克拖曳泵的通道提供的气体压缩适于超过在该马达定子的面向转子轴的表面与该转子轴的面向马达定子的表面之间的任何增加的气体摩擦。因此，设置这样的非铁磁螺旋开槽表面可使得能够实现提高的泵送性能，而对马达的效率具有很小的影响。这样的马达可将驱动扭矩高效地提供给转子轴，同时提高泵的压缩比。

23、有利地，因为包括该螺旋槽的表面为非铁磁的，所以存在高度的设计自由度可用于该螺旋槽的布置。与铁磁表面中的螺旋槽对比，在非铁磁表面中设置螺旋槽导致对马达的电磁驱动场的微不足道的破坏。因此，本发明提高了螺旋开槽表面的设计自由度，同时允许泵的高效操作。

24、优选地，该至少一个螺旋槽从马达定子的表面的第一端轴向延伸至第二端或沿转子轴的马达定子的长度延伸一定距离。

25、以下特征可应用于根据任何前述方面或实施例的霍尔维克拖曳泵和/或永磁马达。

26、优选地，该非铁磁表面具有小于大约1.0x10-4 h/m、优选为小于大约1.260×10-6h/m的磁导率。附加地或替代地，该非铁磁表面可具有小于大约10、优选为小于大约1.05的相对磁导率。

27、该非铁磁表面可具有小于大约2.0x10-8ω·m、优选为小于大约6.9x10-7ω·m的电阻率。

28、优选地，该螺旋开槽表面通过注射模制、插入件、共模和/或附接到转子或定子的涂层提供。

29、优选地，该螺旋开槽表面可经由注射模制、挤压、增材制造和/或加工来制造。可执行进一步的精整加工步骤，例如机加工步骤。最优选地，该螺旋开槽表面可经注射模制，继之以机加工步骤。

30、在其中该螺旋开槽表面由插入件提供的实施例中，该插入件可通过夹具、过盈配合、卡扣配合和/或一个或多个垫片来耦接到真空泵的马达定子或转子轴。有利地，这样的插入件可与该霍尔维克拖曳泵或永磁马达分离，并且因此可替换。此外，这样的插入件可被改装到现有的霍尔维克拖曳泵或永磁马达。该插入件可包括基本上管状的构件，其构造成插入马达定子与转子轴之间的间隙中。优选地，该插入件可被构造成耦接到马达定子，并且其径向向内表面可限定螺旋开槽的非金属表面。

31、该插入件可为单件式的，或优选地包括多个节段，该多个节段构造成例如在该霍尔维克拖曳泵或永磁马达内原位组装时提供非铁磁表面。有利地，将该插入件提供为多个可互连的节段可使得能够实现该插入件的更容易的组装。此外，也可使得该插入件能够改装到现有的霍尔维克拖曳泵或永磁马达。

32、在其中螺旋开槽表面通过共模和/或插入件提供的实施例中，该共模和/或插入件可提供隔离马达定子的磁芯的附加益处。在马达的操作期间，气体介质可输送通过该马达的间隙。该气体介质可能携带颗粒物质，该颗粒物质在无保护的情况下可能使绕组劣化。因此，将该螺旋开槽表面作为共模和/或插入件提供可防止在真空泵的操作期间被颗粒污染损坏磁芯。因此，该磁芯可不那么需要频繁地维修和更换。

33、在其中该螺旋开槽表面通过涂层提供的实施例中，所述涂层可优选地附接到定子，更优选地附接到永磁马达的马达定子。

34、优选地，该螺旋开槽表面与转子或定子一体形成。

35、优选地，该非铁磁表面包括聚合物材料、陶瓷材料或复合材料。最优选地，该非铁磁表面包括聚合物材料。优选的聚合物选自由热塑性材料或热固性材料组成的群组。特别地，分类为高性能热塑性材料的热塑性材料由于其机械和热性质而为优选的。合适的热塑性聚合物包括聚醚醚酮(peek)、聚四氟乙烯(ptfe)、聚酰胺、聚苯硫醚(pps)及其衍生物和共聚物。peek是特别优选的。合适的热固性聚合物可为固化环氧树脂。

36、有利地，这些材料可减少对马达的磁场的干扰。此外，它们相对机械刚性、热稳定，并且具有低成本。它们也可被注射模制，并且可易于机加工和/或注射模制，从而使得能够实现直接生产。

37、聚合物材料可另外包括来自由以下各项组成的群组的一者或多者：抗静电剂、抗氧化剂、脱模剂、防焰剂、润滑剂、着色剂、流动增强剂、包括奈米填料的填料、光稳定剂和紫外光吸收剂、颜料、抗风化剂以及可塑剂。

38、附加地或替代地，聚合物材料可包括一个或多个增强元件，例如玻璃纤维、碳纤维或颗粒。

39、优选地，该非铁磁表面为整体式的。特别地，该非铁磁表面基本上由单一整体材料提供。特别地，这可简化非金属表面的制造。例如，该非铁磁表面或包括其的主体可经注射模制，从而提供相对低成本、快速且一致可复制的制造方法。

40、可选地，包括该非金属表面的主体可包括流体连接到霍尔维克拖曳泵机构的出口的贯穿孔道。因此，气体介质通过霍尔维克通道的输送方向可基本上朝向或远离该霍尔维克拖曳泵机构的出口。

41、在一些实施例中，该永磁马达可包括导管，其限定延伸穿过该马达的轴向通路。该轴向通路可从该马达的基部中的开口延伸至轴向超过与该基部相对的端部的开口。优选地，该导管可限定在转子轴内。该轴向通路可与该转子轴的旋转轴线同轴。有利地，穿过马达的该轴向通路可提供用于连接器、安装轴、电源和/或其他部件的中心路径，如关于本文限定的另一方面的实施例论述的。

42、在另一方面，本发明提供了一种真空泵，其包括根据任何前述方面或实施例的永磁马达和/或霍尔维克拖曳泵。

43、优选地，该霍尔维克拖曳泵机构包括绕转子轴同心布置的至少一个另外的通道。更优选地，该霍尔维克拖曳泵机构包括从大约2个至大约8个另外的通道，其中，这些通道绕转子轴同心布置。

44、当该霍尔维克拖曳泵机构在操作中时，在后续通道中，气体介质可沿相反方向被泵送。这些方向可基本上平行于转子轴的旋转轴线。在现有技术的真空泵中，具有偶数个级通过使气体介质离开泵机构内的最后级而使设计复杂化，从而需要附加的孔道或钻孔来促进气体介质移动至真空泵的出口。因此，通常仅奇数个分子拖曳级是可能的，使得最后的分子拖曳级朝向真空泵的出口终止，由此限制了真空泵的设计自由度。

45、有利地，在根据本发明的泵中，霍尔维克拖曳泵机构的最后通道可由非铁磁螺旋开槽表面提供。优选地与转子轴相邻的该附加通道可提高泵的压缩比，并且允许更高效地使用空间来提供附加通道。

46、优选地，该真空泵还包括流体连接到该霍尔维克拖曳泵机构的涡轮分子泵机构的至少一个层级。优选地，该真空泵包括流体连接到该霍尔维克拖曳泵机构的大约2个或更多个涡轮分子泵级。该至少一个涡轮分子泵机构可包括一个或多个层级。优选地，每个涡轮分子泵机构包括从大约2个至大约8个层级，例如为5个层级。

47、优选地，该至少一个涡轮分子泵机构(或级)流体地布置在该霍尔维克拖曳泵机构(或级)的上游。在真空泵的操作期间，气体介质可从该涡轮分子泵级的出口输送至该霍尔维克拖曳泵机构的入口。

48、优选地，该至少一个涡轮分子泵级和霍尔维克拖曳泵机构可被布置在单一驱动轴上。优选地，在真空泵的操作期间，该至少一个涡轮分子泵级和霍尔维克拖曳泵机构可由相同的马达驱动。例如，该至少一个涡轮分子泵级和霍尔维克拖曳泵机构可由如前述方面所阐述的永磁马达驱动。

49、优选地，该真空泵可为由edwards limited生产的涡轮分子泵。

50、优选地，该真空泵可包括导管，其限定延伸穿过该真空泵的轴向通路。该导管可从该泵的基部中的开口延伸至轴向超过泵入口的开口。该转子轴和马达定子可围绕该导管延伸。优选地，该轴向通路可与该驱动轴的旋转轴线同轴。

51、优选地，限定该轴向通路的导管可位于该非铁磁螺旋开槽表面的径向内部。优选地，限定该轴向通路的导管可位于该驱动轴内。

52、该真空泵还可包括构造成遮挡涡轮分子泵机构的入口(即，泵入口)的板。该板可被构造成以可控量遮挡该泵入口。由此，该板可控制该真空泵的入口传导。该真空泵还可包括用于安装该板的轴。该轴可为中空的并且围绕该通路延伸。该板可包括该导管延伸穿过的中心部分中的孔。该板可为阀板。

53、优选地，限定该轴向通路的该导管可位于该涡轮分子泵级和霍尔维克拖曳泵机构的单一驱动轴内。

54、优选地，该导管可轴向延伸穿过整个真空泵，包括该霍尔维克拖曳泵机构和涡轮分子泵机构两者。提供这样的“中空”真空泵可使得能够在该泵入口处使用提动阀，该泵入口可为涡轮分子泵的入口。有利地，这可用于压力控制和/或隔离。

55、在使用期间，该泵入口可被流体连接到真空腔室。为了在真空腔室内执行的许多过程，可在所述腔室内安装基板，所述过程诸如半导体蚀刻过程。如果要实现高质量的结果，则这些过程可能需要跨越基板的均匀气流。将该基板安装在泵入口上方可有助于提供跨越该基板的均匀气流。然而，在现有技术的系统中，在某种程度上支撑构件以及更重要的提供给该基板的功率和控制可扰乱气流并且降低跨越该基板的气流的均匀性。本发明的导管可使基板安装轴能够通过该真空泵供给。附加地或替代地，该导管可使得连接器、电源、控制布线和/或冷却供应装置能够通过该真空泵供给，使得它们在该基板下方居中对准。这可使得能够实现在操作期间围绕该基板的气流的增加的均匀性。

56、此外，以可控量遮挡泵入口的阀板可提供快速压力控制以及减少的微粒产生和脱落。另外，它可提供围绕该板的对称流动，并且可降低跨越安装在腔室内的晶片的气流的不均匀性。应当注意，尽管该板可为扁平圆形结构，但其也可具有其他形式，诸如锥形形式。一般而言，如果该板具有圆形剖面是有利的，因为这可提高气流的均匀性。

57、具有至少部分遮挡泵入口的板的中空泵可提供对该泵的入口传导并且因此对该腔室内的压力的有效和快速的控制，以及该基板上的更均匀的气流，其中该板的轴向移动提供入口传导控制。

58、该板可至少部分地遮挡该入口。该板的移动可使得入口传导随着该气体围绕该板的边缘流动而变化。在一些情况中，该板可在所有轴向位置延伸超过泵的入口。在其他情况中，该板可在某些轴向位置延伸超过该入口。轴向移动可被定义为基本上平行于该泵的转子轴的移动。该板可被安装在轴上。优选地，该轴可为中空的，并且可围绕限定所述通路的导管延伸。

59、在一些实施例中，该板可被安装在真空泵的驱动轴的朝向涡轮分子泵的入口的端部上。该驱动轴可相对于该马达定子在轴向方向上移动。该驱动轴可经由电磁轴承安装到该泵或定位在该泵内。供应至与所述轴承相关联的电磁体的电流可控制该驱动轴的轴向位置，并且由此控制该板的轴向位置。该泵可包括与该驱动轴相关联的致动器，以用于改变该轴和该板的轴向位置。

60、在替代实施例中，该泵可包括该板所安装到的安装轴，该安装轴与该驱动轴分离。该安装轴可被构造为不旋转。该安装轴可相对于该马达定子在轴向方向上移动。该泵可包括与该安装轴相关联的致动器，以用于改变该轴和该板的轴向位置。

61、在一些实施例中，该板可包括面向泵入口的表面上的o形环。在替代实施例中，该板可不包括o形环。

62、该泵可包括控制电路，其构造成控制该板的轴向位置。该控制电路可包括输入部，其构造成接收指示由该真空泵产生的压力的信号的。该控制电路可被构造成根据该信号来控制该板的轴向位置。

63、具有穿过该真空泵的通路的一个优点可为与诸如阴极的基板安装件的任何连接可通过该泵并且朝向其中心到达该基板安装件下方。在一些实施例中，朝向泵入口的该导管的端部可包括安装装置，以用于安装基板安装件，例如阴极。这可允许该基板居中安装在泵入口上方，而无需本身可能破坏均匀气流的单独的基板支撑件。

64、wo 2020/012154中描述了适合用于本文中的真空泵，该文献通过引用结合于本文中。特别地，参考图1-3，它们图示了具有轴向通路的真空泵。

65、尽管在所描述的示例中，真空泵包括霍尔维克泵机构和涡轮分子泵机构，但是具有中心轴的其他真空泵，诸如单独的霍尔维克泵或与替代泵的组合，也可适用，并且可包括穿过中心的通路以及可轴向移动的阀板。

66、在另一方面，本发明提供了根据任何前述方面或实施例的霍尔维克拖曳泵、永磁马达和/或真空泵，其中，非铁磁螺旋开槽表面通过注射模制、挤压、增材制造和/或加工过程提供。

67、可选地，所述过程可包括一个或多个精整加工步骤(finishing step)。例如，这样的精整加工步骤可包括机加工步骤、施加涂层和/或表面处理。

68、为避免疑义，在上文中描述的所有方面和实施例都可以在作必要的变更后组合。