用于磁轴承的转子的永磁铁阵列和组装该阵列的方法
【专利摘要】当用于涡轮分子泵中时，由磁轴承组件的旋转磁铁阵列中的永磁铁的非对称的磁化产生的杂散磁场可引起装置(如，扫描电子显微镜)的重大问题。为了最大限度地减少杂散场，首先要至少测量阵列中的各个磁铁的偶极矩和四极矩。然后，相对于彼此布置阵列中的磁铁，使得偶极矩和四极矩两者都最大限度地减少，从而使涡轮分子泵中的磁铁阵列旋转时的杂散磁场最大限度地减少。
【专利说明】用于磁轴承的转子的永磁铁阵列和组装该阵列的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及磁轴承领域。具体而言，涉及一种用于减少由高速旋转机器(如，涡轮分子泵)中的永磁轴承装置引起的横向的杂散磁场的设备和方法。
【背景技术】
[0002]涡轮分子泵被用作真空系统的一部分，真空系统用于产生装置(如，扫描电子显微镜(SEM)和平板印刷装置)所需的高真空环境。
[0003]涡轮分子泵普遍包括泵的高真空端中的无油被动永磁轴承装置。
[0004]图1中示出了涡轮分子泵(未示出)的被动永磁轴承装置10的截面。在该实例中，轴承装置10包括四个外部旋转的永磁铁环12a，12b, 12c和12d的阵列12和四个内部非旋转的永磁铁环14a，14b, 14c和14d的阵列14，其布置成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。磁铁全部由稀土磁性材料形成。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为静止部分。
[0005]在该实例中，各个阵列12，14中的磁环12a到12d和14a到14d的磁化分别大致与泵转子(未示出)的旋转轴线4对准。磁化方向已经由箭头指出，其中各个箭头的头部指出北极。
[0006]磁铁布置在各个阵列内，使得它们相对于彼此相互排斥；即，阵列中的近端磁铁以相同磁极接触相同阵列中的其最邻近的磁铁(例如，磁铁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。
[0007]装置10的各个阵列12，14中的磁铁12a到12d和14a到14d定向成在阵列12，14之间提供相互排斥，且因此产生几乎无摩擦的轴承。
[0008]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几何轴线完美地对称时，它们全部都最佳地执行。
[0009]旋转阵列12的环12a到12d中的磁化在图1中示为相对于其几何轴线4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(且同样对于磁铁14a到14d)的磁化都是不完美的。这在图2a和图2b中示出了。如图2a中指出那样，在轴向地磁化的永磁环中观察到的最大磁性不对称通常为较小的角度误差，使得磁铁的轴线以几度的角移离几何轴线4。取决于磁铁的品质或等级，角度误差Θ可多达3°。该误差可被认为是对理想的轴向磁化的小扰动；实际上，横向磁偶极矩8叠加在预期的轴向偶极矩6上,如图2b中所示。
[0010]除横向偶极(一阶)不对称外，还存在较高阶次的不对称，例如，四极不对称和六极不对称。不对称的程度或磁场强度通常随极数的增大而减小。
[0011]在这些较小的不对称出现在旋转磁铁阵列12的任何环12a到12d中的情况下，生成了时变磁场(该磁场对静止磁铁14a到14d是恒定的)。这些2，4和6个极的不对称分别以是泵转子的旋转速度的1，2，3倍的频率生成时变磁场。
[0012]扫描电子显微镜的性能极易受机械振动或从涡轮分子泵发射的杂散磁场影响。已知的是，杂散场直接干扰电子束或仪器的电路。
[0013]尽管普遍使用铁磁屏蔽来减少此类磁场发射，但此类屏蔽很昂贵且仅具有有限的效果。
[0014]因此，所期望的是，由备选的器件来减小这些时变杂散磁场的影响。
【发明内容】
[0015]在本发明的第一方面中，提供了一种组装永磁铁轴承装置的旋转磁铁阵列的方法，所述旋转阵列包括至少四个永久环形磁铁，该方法包括以下步骤:
相对于所述环形磁铁上的基准点独立地测量至少四个环形磁铁的至少一阶横向杂散磁场和二阶横向杂散磁场(即，横向偶极和四极杂散场)的大小和相位(矢量)；
计算或验算阵列内的所述至少四个磁铁中的各个磁铁的相对角定向和相对磁极性方向，当组装好该阵列时，其将提供最小的时变磁场；以及根据所述计算结果组装磁铁阵列。
[0016]通过磁铁环的最佳选择和组装，以便若干旋转环的不对称的磁化大致相互抵消。通过沿〃向上〃和〃向下〃的定向计算磁铁的所有排列和所有其相对角定向的效果，有可能确定磁铁的最佳构造，以用于最大限度地减小大多数杂散磁场。
[0017]然后，可根据计算结果执行处于优选定向和排列的一组磁铁的测量结果，以确定完成的阵列上的杂散场和/或杂散场的测量结果。
[0018]所附权利要求中限定了本发明的其它优选的和/或最佳的方面。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]为了可更好地理解本发明，现在将参照所附附图描述本发明的实施例，实施例仅以实例的方式给出，在附图中:
图1为被动磁轴承装置的截面示图。
[0020]图2a为永久环形磁铁的不对称磁化的示图。
[0021]图2b为永久环形磁铁的不对称磁化的示图。
[0022]图3为根据本发明用于执行测量的设备的示意图。
[0023]图4为四个环形磁铁系统的减小的杂散横向偶极矩磁场的示图。
[0024]图5为四个环形磁铁系统的杂散横向偶极矩和四极矩磁场的示图。
[0025]图6为四个环形磁铁系统的减小的杂散横向偶极矩和四极矩磁场的示图。
[0026]图7为根据本发明的四个磁铁阵列测量的流程图。
[0027]图8为根据本发明的四个磁铁阵列测量的流程图。
【具体实施方式】
[0028]图3为根据本发明用于执行测量的设备的示意图。磁铁测量站(或磁对准装备)50包括磁铁旋转区段58，60，62，64，66和磁场测量区段56，54，68，70，72。[0029]磁铁旋转区段包括用于使磁铁旋转的马达62。马达62由速度控制装置64(如，换流器)和电源66驱动。附接到马达62上的非磁性心轴或转子60经由非磁性的工作台52向上延伸到磁铁支座58 (也为非磁性的)中。马达定位成离磁铁支座和测量站都十分远，以便从所述马达62发射的任何磁场都不干扰所获取的任何测量结果。转子优选为由非磁性的轴承装置(未示出)支承在远离马达、贴近磁铁支座58的端部处，以确保磁铁能够在大致没有振动或移动的情况下旋转。磁铁支座58包括附接到心轴60上的底座58a和轴向夹持装置58b。底座58a包括大致平的表面58c，环形磁铁12a收纳在其上，其中中心轴(未示出)优选为从底座向上延伸。该轴与环形磁铁的内圆周的直径大致相同，以便在旋转期间防止磁铁径向移动。轴向的夹持装置58b包括内开孔，其也与中心轴的直径大致匹配。夹持装置58b优选为以螺纹布置来附接到底座58a上。还提供了相位基准拾取装置80，以探测心轴在旋转期间的角位置。例如，拾取装置80可使用光触发器，如，底座58a上的基线或基准线。拾取装置与计算机72通信。
[0030]磁场测量区段包括由非磁性支承件54支承在工作台52上的磁场测量装置56。测量装置56可为磁通门传感器、霍尔效应传感器或具有能够解析具有小于500pT的噪音的InT的灵敏度的探查线圈。传感器56连接到信号调节装置68、快速傅里叶变换阶次跟踪装置70，以及计算机72上。计算机172设有软件，以基于所获取的各个磁铁的测量结果计算磁铁的优选构造和/或排列。
[0031]在使用中，待测量的独立磁铁12a放置在磁铁支座的底座58a上，定位成北极方向向下。可仅为由笔产生的标记的基准点置于环形磁铁12a上，以与底座58a上的基准基线匹配。然后，磁铁12a利用夹持装置58b在该位置中固定到磁铁支座上。
[0032]磁铁12a和传感器56应对准，使得传感器轴线84与磁铁12a的外圆周的中纬线对准(即，位于其北极与南极之间的中间)。
[0033]为了表现各个磁铁的磁场的特点，马达62旋转，该马达经由心轴60和磁铁支座58使磁铁12a旋转。马达在21Hz到24Hz之间运行。心轴60和磁铁支座58应可重复地定向磁铁，使得磁场传感器56的轴线处于磁铁的平面中，以〈1° (即，与标称磁化轴线正交)。旋转轴60和支座58a上的磁铁邻接面的(轴向)间隙应〈10 μ m(l μ m的间隙或0.0019°的磁铁倾斜等于0.6nT的误差)。
[0034]与拾取装置80、信号调节器68、快速傅里叶变换分析器70和计算机72组合的传感器56探测和记录磁铁的横向磁场的大小和相位数据。应测量和记录各个磁铁的至少一阶横向杂散磁场和二阶横向杂散磁场(即，横向偶极杂散场和四极杂散场)。然而，也可收集更高阶次的多极(如六极)横向场数据。
[0035]如果正在执行的用于包括至少四个磁铁的永磁轴承装置10的旋转磁铁阵列12的过程，则该过程重复用于至少三个其它磁铁12b，12c, 12d。在旋转的至少20秒内收集各个磁铁的数据。
[0036]然后计算阵列12内的四个磁铁12a，12b, 12c, 12d中的各个磁铁的相对角定向(相比于在测量步骤期间在各个磁铁上产生的基准点)和相对磁极性方向，这将向组装好的阵列12提供旋转期间的最小时变磁场。
[0037]如图4中所示，如果计算限于仅减少杂散的横向偶极或一阶磁场，则在4个旋转磁铁环的阵列中，仅需要考虑4个磁铁环的4个横向偶极矩(21，22，23，24)的矢量相加。通过相对于彼此旋转阵列中的4个环，有可能产生磁铁的相对角定向，其中4个独立的偶极矩(21，22，23，24)形成闭合的四边形，且因此具有为零的矢量和(只要没有独立磁铁具有大于另外三个磁铁的和的偶极矩)。有可能的是，以若干相对角定向方式形成该四边形，且仍实现为零的矢量和。提供为零的总的偶极的4个环形磁铁装置可以说具有一个自由度。
[0038]在各个阵列中具有3个旋转磁铁的磁轴承的旋转磁铁阵列还可布置成用以形成闭合的三角形(取决于3个矢量的相对大小)，但仅存在一个相对定向，且因此没有自由度。一般说来，N个磁铁系统可组装为具有N-3的自由度的最小偶极矩。
[0039]然后当除偶极矩外还考虑二阶四极矩杂散场造成时变场时，将发现的是，四极矩与偶极矩的方向之间不存在特定的关系，以便满足偶极矩的为零的矢量和大体上不产生四极矩的为零的和。然而，仅就偶极来说，4个磁铁的构造给出I个自由度，存在小于零的自由度来实现偶极和四极两者都为零的和，因为该问题是无解的。这在图5中示出了。4个偶极21，22，23，24布置成为零的和，但对应的4个四极矢量31，32，33，34不具有零的和，而作为替代，形成组合的矢量100。
[0040]然而，由于旋转阵列12中的磁铁12a，12b, 12c, 12d中的两个需要定向成北磁极向上，而两个定向成北极向下。物理地颠倒两个磁铁增加了自由度的数目，且相比于未颠倒的装置，其使四极的相位相对于偶极为反向的。因此，如图6中所示，磁铁偶极21，22，23，24造成的总的横向场可保持为零，同时将四极31，32，33，34的总的效果200减小了至少一半。
[0041]计算机72计算阵列12内的四个磁铁12a，12b, 12c, 12d中的各个磁铁的相对角定向(相比于在测量步骤期间在各个磁铁上产生的基准点)和相对磁极性方向，其提供在旋转期间最小的时变杂散偶极横向磁场和四极横向磁场。
[0042]将明显的是，还将有利地测量大批量的磁铁上的杂散磁场(比如20)，且然后执行上述计算以确定多达五个不同的磁铁阵列，各个阵列均包括具有最佳的较低杂散磁场发射的四个磁铁。
[0043]通过考虑时变场和使用迭加原理可执行计算。
[0044]总的杂散场=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分别为偶极矩和四极矩的相位角。
[0045]Tl, Τ2和Τ3为可对独立磁铁进行的旋转调整量。
[0046]根据所提到的情况，Φη和Ψη对的两个必须为反向的(以表示颠倒的磁铁)而两个为正向的。
[0047]目标在于通过改变Tl，Τ2, Τ3和Φη和Ψ η对的组合的符号使针对O≤θ ≤2乳最大限度地减小总数A的峰到峰值。
[0048]来自由计算机72所计算的所得输出需要指出: a)组装顺序，即，哪个磁铁占据阵 列12中的哪个位置。[0049]b)各个磁铁相对于基准(角)零的旋转。
[0050]c)阵列12的nT峰-峰中的预测的杂散磁场。
[0051]即使四个磁铁12a到12d中的任何一者都不适合成组地使用，计算机72上的软件也应指出哪个磁铁将由另一个候选磁铁替换，且该循环从头再开始。
[0052]一旦已经计算一组四个磁铁12a到12d的相对角定向和相对磁极性方向，就可根据该计算结果布置阵列12且在磁铁测量站上核对阵列。
[0053]如果执行此进一步的步骤，则传感器轴线84应与磁铁阵列的外圆周的中间(即，在图1中的磁铁12b和12c之间)大致对准。在离一组四个磁铁的轴线200mm处测量到的目标时变最大横向杂散场为180nT峰-峰。
[0054]图7和图8中示出了用于独立磁铁和阵列测量的流程图。
[0055]然后，根据本发明组装的阵列12可组装成轴承装置，以配合到高速旋转机器中，如，涡轮分子泵。
[0056]优化的轴承组件可单独使用，或与被动屏蔽或主动消除件组合，以更进一步减少杂散场。
【权利要求】
1.一种组装磁轴承装置的可旋转的永磁铁阵列的方法，所述旋转阵列包括至少四个永久环形磁铁，所述方法包括以下步骤: 相对于所述环形磁铁上的基准点测量所述至少四个环形磁铁中的各个磁铁的至少一阶横向杂散磁场矢量和二阶横向杂散磁场矢量； 计算所述阵列内的各个磁铁的相对角定向和相对磁极性方向，使得在组装和旋转所述至少四个磁铁时，最大限度地减小所述时变磁场；以及 根据所述计算结果组装所述磁铁阵列。
2.根据权利要求1所述的组装可旋转的磁铁阵列的方法，其特征在于，所述方法包括附加步骤:一旦根据所述计算步骤组装好，则测量所述阵列的一阶横向杂散磁场矢量和二阶横向杂散磁场矢量。
3.一种包括根据权利要求1或权利要求2所述的方法组装的至少四个永久环形磁铁的永磁铁轴承装置的可旋转的磁铁阵列。
4.一种包括可旋转磁铁阵列的轴承装置，所述可旋转磁铁阵列包括根据权利要求1或权利要求2所述的方法组装的至少四个永久环形磁铁。
5.一种包括根据权利要求4所述的轴承装置的高速旋转的装置。
6.一种包括根据权利要求4所述的轴承装置的涡轮泵。
【文档编号】G01R33/12GK103635704SQ201280021991
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2012年5月4日 优先权日:2011年5月6日
【发明者】B.D.布鲁斯特, A.韦 申请人:爱德华兹有限公司