具有多个轴向指向磁化区域的加长永久环形磁体和具有此种环形磁体的磁轴承的制作方法

本发明涉及用于磁轴承布置的磁体、包括所述磁体的轴承布置和包括所述轴承布置的真空泵。特别地，本发明能够在磁轴承布置中特别有用，其减弱用于涡轮分子真空泵的杂散磁场，但是可以理解的是，本发明不限于此领域且其他应用可以被本领域技术人员理解。

在下文中通过特定的应用对本发明进行描述。然而，可以理解的是，本发明不限于涡轮分子真空泵。

背景技术：

涡轮分子泵经常用作真空系统的部件，所述真空系统用于抽空装置，例如扫描电子显微镜（SEMs）和平板印刷装置。

所述涡轮分子泵通常包括位于泵的高真空端部的不含油的被动永磁轴承布置，以提供大体上无摩擦的干燥轴承布置，所述大体上无摩擦的干燥轴承布置不含否则可能在抽空体积内造成污染的润滑材料。

如EP2705263中所描述的，已知的被动永磁轴承布置应用多个单独的轴向堆叠环形磁体。此种布置的例子在图1和图2中示出。

图1示出了典型涡轮分子泵200的截面图，所述涡轮分子泵包括一系列从转子轴108向外延伸的转子叶片106。被动磁轴承布置100、110位于轴108的高真空（入口）端部。轴承布置100、110包括固定到泵壳体的一系列三个单独的永磁体环100，所述永磁体环100被一系列三个单独的永磁体环110同心地环绕，所述永磁体环110被固定到转子布置106、108并与之一起围绕轴线102旋转。

在图2中更详细地示出了用于涡轮分子泵（未示出）的被动永磁轴承布置10的又一示例的横截面图。在这个示例中，轴承布置10包括四个外部旋转的永磁体环12a、12b、12c和12d的阵列12和四个内部非旋转的永磁环14a、14b、14c和14d的阵列14，其布置以使得外部旋转的阵列12以同心的方式环绕内部静止的阵列14。磁体全部由稀土磁性材料形成，例如钐钴。外部阵列12附接于涡轮分子泵（未示出）的转子上，其中静止阵列14附接于所述泵的定子上。由于机械强度和实际结构的原因，一般情况下外部环阵列形成轴承装置的旋转部分而内部环形成静止部分。

在此示例中，各个阵列12、14中的磁环12a到12d和14a到14d的磁化（即极化）相应地与泵转子（未示出）的旋转轴线102大致对准。磁化（极化）方向已经由箭头指出，其中各个箭头的头部指出北极。

磁体布置在各个阵列内，使得它们相对于彼此互相排斥；即，阵列中的近端磁体以相同磁极接触相同阵列中的其最近相邻的磁体（例如，磁体12a和12b以其南极接触彼此）。各个阵列中的外部磁环12a、12d、14a、14d均使其北极面向最外面。

布置10的各个阵列12、14中的磁体12a到12d和14a到14d定向成在阵列12、14之间提供互相排斥，且因此产生几乎无摩擦的轴承。

很多其它构造是可能的，其使用不同数目的环，具有轴向或径向磁化，且布置成用于转子与定子之间的排斥力或吸引力。尽管多种构造都是可能的，但在环中的磁化方向相对于其旋转轴线102完美地对称时，它们全部都最佳地工作。

旋转阵列12的环12a到12d中的磁化在图2中示为相对于其几何（旋转）轴线102完美地对称。然而，事实上，由于磁环的制造工艺的实际局限性，各个磁环12a到12d（且同样对于磁体14a到14d）的轴向磁化都是不完美的。

尽管磁体的生产对于本领域技术人员来说是已知的，为了示出不完美在工艺中如何产生并在涡轮分子泵中导致问题，将在此描述简化的版本。

生产磁体最常见的方法是通过粉末冶金。工艺通过形成精细粉末开始，随后在充电或者磁化之前压紧并烧结在一起。

精细粉末通过几个步骤形成，其被设置为特定的颗粒尺寸以包含具有一个优选磁性指向的材料。

在粉末形成之后，所述粉末被压紧成期望的形状。用于这一工艺的两个众所周知的技术是轴向/横向压制和等静压压制（isostatic pressing）。两个方法必要地包括将颗粒对准和固定，从而在完成的磁体中的所有磁性区域均指向一个方向。

在轴向/横向压制中，粉末被放置进刚性腔室中，腔室成形为与最终磁体的形状匹配，并随后使用压制工具压紧。在压紧发生前，将对准磁场应用于粉末以保证所有颗粒都在相同的方向被对准。压紧动作固定或者说“冻结”这一对准。

等静压压制是指，柔性容器填充有粉末，所述容器随后被密封，并对其应用对准磁场。所述容器随后使用液压流体（例如水）等静压地压制，从而压力被应用到密封容器的外部，在所有侧面均等地压紧所述密封容器。通过等静压压制，制造大型磁体以及由于压紧的压力均等地应用于所有侧面从而保证粉末保持相对好的对准并具有相对高的磁性能量这两者是可能的。

压制部分随后在真空烧结炉中烧结，磁体周围的温度和气压根据生产的磁体的类型和等级指定。稀土材料被加热到烧结温度并使其随着时间变得致密。在上述示例中使用的钐钴磁体在烧结之后有固溶热处理的额外要求。

当烧结工艺完成时，磁体具有粗糙表面和仅仅近似的尺寸，所以需要进一步的处理，通过例如磨光内表面和外表面以产生最终的抛光。此时，仍然没有展现外部磁场。

在抛光工艺之后，磁体随后需要磁化以产生外部磁场。这可以在包括中空圆柱体的螺线管中完成，各种磁体尺寸和形状可以被放置在所述中空圆柱体中，或者使用设计成给予独特磁性图案的其他装置完成。

因此，当阵列中的每个单独的磁体制成时，其每个在磁场方向的指向中会有微小的变化。因此每个单独的环形磁体互相之间具有轻微的不完美，从而阵列中的每个极化的轴向对准互相之间相对于旋转轴线102也将会是不完美（不对称）的。

这在图3a和图3b中被示出。在轴向磁化的永磁环中观察到的最大磁性不对称通常是小角度误差，从而如图3中指出的，磁体的轴线偏离旋转轴线102几度的角度。根据磁体的质量或者等级，角度误差θ可能约为3°。这个误差可以视为相对于理想轴向磁化的小扰动；实际上，如图3b中示出的，横向磁偶极矩8叠加在预期的轴向偶极矩6上。

除了横向偶极（一阶）不对称，存在高阶不对称，例如四极和六极不对称。不对称的幅度或者磁场强度通常随着磁极数量的增加而减少。

当这些小的不对称在旋转磁体阵列12的任何环12a到12d中发生时，会产生时间变化磁场（对于静止磁体14a到14d，磁场是不变的）。这些2、4和6磁极不对称分别产生泵转子的旋转速度的1倍、2倍、3倍频率的时间变化磁场。

扫描电子显微镜的性能受机械振动或涡轮分子泵发出的杂散磁场的高度影响，杂散磁场已知直接干涉电子束或仪器的电流。

如在EP2705263中描述的，克服上述杂散一阶和二阶磁场问题的一个已知方法是通过有效抵消每个单独磁体的杂散磁场的方法组装用于永磁体轴承布置的旋转磁体阵列。这通过首先至少测量/表征多个磁体的一阶和二阶横向杂散磁场（即横向偶极和四极杂散磁场）的大小和相位（矢量）实现。随后，独立地对于至少四个环形磁体，相对于所述环形磁体上的参考点来计算阵列中的所述至少四个磁体中每个的相对角度指向和相对磁极方向，从而当阵列被组装时，将提供最小的时间变化磁场。这就是磁体的最佳相对指向，其中每个磁体的所有杂散磁场基本上被抵消。

然而，上述方法的一个问题是许多磁体必须被表征，从而找到用于泵的磁体的可接受组合。换句话说，为了找到四个环形磁体的组合使得杂散磁场可以被基本上抵消，需要对多于四个磁体进行最初的表征。

技术实现要素：

本发明的目的是克服上述提到的问题。

在第一方面，本发明提供用于磁轴承布置的单件式加长永久环形磁体，其在使用中具有旋转轴线，所述旋转轴线平行于并居中地穿过环形磁体的孔，其中所述磁体包括在磁体轴向端部之间的偶数个轴向极化区域，轴向相邻的极化区域彼此互相排斥。

因此，具有偶数个轴向极化区域的单件式环形磁体而不是上述现有技术中的独立的环形磁体的阵列被设置为轴承布置的转动元件。每个轴向极化区域作为独立的磁体或者子环形磁体，并在磁体的制造期间沿着单件式磁体的轴向长度形成，从而它们彼此互相排斥；也就是阵列中的相邻子磁体与阵列中的最近相邻子磁体通过相同磁极（北极-北极或南极-南极）接触。单件式磁体基本上再现了偶数个磁体的阵列的磁场，但是具有减弱的杂散磁场效应。

由于去除了当分别制造所有磁体时产生的磁体之间的相对不对称，本发明的单件式磁体克服了上述由四个独立环形磁体形成的磁体阵列的问题。由于在压制阶段中应用的对准磁场的轻微变化或者在烧结或抛光（磨光/研磨烧结磁体的表面）工艺中的误差，不对称和因而横向磁场会产生。通过设置一件式磁体，相对于轴向磁化的任何角度不对称（例如角度误差θ）沿着磁体的整个长度对于所有轴向极化区域都是相等的。因此，假设所有轴向极化区域具有相等的磁性强度，对于旋转轴线的净横向磁场是零。

本发明的更多方面在权利要求中陈述。

附图说明

为了使本发明得到更好的理解，现在将参考附图对其仅通过示例给出的实施例进行描述，其中：

图1是涡轮分子泵的横截面图；

图2是示出用于涡轮分子泵的被动磁轴承布置的横截面图；

图3a是永久环形磁体的不对称磁化的示意图；

图3b是永久环形磁体的不对称磁化的示意图；

图4是包括根据本发明的磁体的磁轴承布置的示意图。

具体实施方式

图4示出了磁轴承布置300，所述磁轴承布置包括根据本发明的环形磁体122。环形磁体122是由磁性材料形成的单件式圆柱形管状磁体，例如钐钴。当使用时，在轴承布置300中，磁体122随着涡轮分子泵（未示出）的转子围绕轴线102旋转。如图所示，轴线102平行于并居中地穿过磁体122的孔。示出的磁体具有四个轴向极化区域122a、122b、122c和122d，轴向相邻极化区域彼此互相排斥，例如，区域122a和122b以相同的磁极接触（南极-南极，如箭头尾部所指出的），区域122b和122c也是如此（北极-北极，如箭头头部所指出的）。

如上所述，生产包括偶数个轴向极化区域的单件式环形磁体相比于在阵列12中使用单独的环形磁体（如图2中所示），其优势在于，只有一个相对于理想几何（转动）轴线102的角度误差θ。由于角度误差来源于磁体生产的压紧、烧结或抛光阶段，每个生产的磁体将具有其自己的误差。然而，沿着单件式磁体的整个轴向长度，仅可能获得单个一致的角度误差θ。因此，假设每个极化区域122a、122b、122c和122d具有相等的磁性强度，沿着单件式磁体122的净横向偶极矩将是零（如图4中线400所示）。

尽管磁体122被示出具有4个轴向极化区域，根据特定轴承布置的要求，所述磁体可以具有任意偶数个轴向极化区域，例如6、8、10、12。重要的特征在于，必须具有偶数个轴向极化区域，从而具有零净横向偶极矩，因此实际上当磁体在涡轮分子泵的轴承布置中旋转时，不会产生杂散磁场。

磁体122按照上述阶段生产。然而，为了生产多个轴向极化区域，一旦单件式磁体在对准磁场中被压紧成期望的形状、烧结并抛光，向磁体充电以同时生产每个极化区域122a、122b、122c和122d是有优势的。为了完成这一工作，每个还未充电的区域122a'、122b'、122c'和122d'（未示出）应该被其自己的螺线管围绕，设计以轴向极化所述区域。理想地，螺线管也被放置进入磁体122的内孔中，从而每个区域122a'、122b'、122c'和122d'具有其自己的螺线管对为其充电。螺线管对优选地产生具有同样磁性强度的每个轴向极化区域。

图4还示出了轴承布置300的静止的非旋转的磁体144的相对位置，即非旋转磁体144被磁体122同心地围绕。磁体144可以由现有轴承布置中（如图2中所示的）独立的轴向极化的环形磁体阵列形成，或者也可以由包括与旋转磁体122中极化区域数量相等的极化区域（144a、144b、144c和144d）的单件式磁体形成。然而，对于旋转和静止磁体122、144两者，优选地使用单件式磁体，因为除了减弱杂散磁场，相比于独立磁体的两个阵列，所述单件式磁体也机械地更强，需要更少的加工时间，并更易于操作。因此包括本发明磁体的涡轮分子泵相对于现有设备可以更有效地被制作。

轴向极化区域122a-d和144a-d也被指向以在磁体122和144之间提供互相排斥，并因此产生几乎无摩擦的轴承300。

轴承布置300优选地用于高转速机器的磁轴承，特别地用于涡轮分子泵中以在应用（例如扫描电子显微镜）中减弱杂散磁场。