涡轮式、Siegbahn型、Holweck型和Gaede型都是已知的真空泵 浦机构。这些机构由产生围绕某轴线的旋转的电动机来驱动。时常需 要提供一种尺寸紧凑的真空泵，以便获得紧凑的设计，相对于各种不 同类型的泵浦机构，该电动机以不同的方式进行定位，以提高泵内部 空间的利用率。例如，如图8中示意性地所示，Holweck泵浦机构包 括可以围绕轴线82旋转的至少一个缸体80。缸体沿径向向内提供了 空间，如果将电动机84的外径约束为以便其装配在该空间内，则该 电动机可定位在该空间中。因为Holweck缸体相对较长，所以电动机 的轴向长度相对受到较少的约束。如图9中示意性地所示，Gaede或 Siegbahn泵浦机构包括可围绕轴线82旋转的至少一个盘86。通常， 用于这种机构的电动机88定位在该机构的一个轴向侧上，且因此需 要限制电动机的轴向长度，以便节约泵中的空间。相反，用于Gaede 或Siegbahn机构的电动机的径向尺寸相对受到较少的约束。
用于真空泵的电动机根据使用它们的泵浦机构的类型而在轴向 或径向尺寸上受到约束，且因此必须提供两种不同类型的电动机。具 有紧凑尺寸的电动机适用于Holweck类型和Siegbahn及Gaede类型的 真空泵浦机构。
真空泵可供对磁干扰敏感的科学设备或制造设备使用。这种设备 包括电子显微镜、聚焦离子束仪器和光刻设备。上述类型的涡轮分子 泵时常用于获得这种设备中通常要求的高度真空。图10中显示了一 种涡轮分子泵90。这种泵设计成用于36,000至90,000rpm范围内的高 转速，并可由永磁无刷直流(DC)电动机92驱动。这种电动机具有双 极构造，以降低换向频率，并简化驱动电子装置的设计。无刷直流电 动机通常包括一个或多个霍耳效应传感器94，以用于检测永磁体转子 96的旋转。转子96沿轴向延伸而超出定子98的端部，从而传感器可 以测量该转子的旋转。转子的扩展部分使得增加的杂散磁场泄漏出 泵，并干扰科学设备或制造设备，即便扩展部分通常可能只有约5mm。 因此需要减少来自电动机的磁干扰。

本发明提供了一种真空泵，其包括可由轴旋转的真空泵浦机构和 用于使所述轴旋转的无刷电动机，其中，所述电动机包括：相对于所 述轴固定的永磁体转子，所述转子具有至少四个磁极；相对于泵壳固 定的定子，所述定子具有非交叠的定子线圈；以及电动机控制装置， 其用于根据所述转子和所述定子的相对位置来选择性地激励所述定 子线圈，使得所述转子能够相对于所述定子进行旋转。
在所附的权利要求中限定了其它优选和/或可选的特征。
附图说明
为了更好地理解本发明，现在将参看附图来描述其一个实施例， 该实施例只是作为示例而给出的，附图中：
图1是一种真空泵的示意图；
图2是用于图1中所示的真空泵的电动机的轴向端部的视图；
图3是用于图1和2中所示的电动机的绕组装置的简化图；
图4是用于现有技术电动机的绕组装置的简化图；
图5显示了一种用于图1和2所示电动机的电动机控制装置；
图6是一种真空泵的示意图，其包括由图2中所示的电动机驱动 的Holweck型真空泵浦装置；
图7是一种真空泵的示意图，其包括由图2中所示的电动机驱动 的Gaede型或Siegbahn型真空泵浦装置；
图8是一种真空泵的示意图，其包括由现有技术电动机驱动的 Holweck型真空泵浦装置；
图9是一种真空泵的示意图，其包括由现有技术电动机驱动的 Gaede或Siegbahn型真空泵浦装置；和
图10是一种现有技术真空泵的示意图。

参看图1，显示了真空泵10，其包括安装成用于由轴14旋转的 真空泵浦机构12，和用于使该轴旋转的无刷电动机16。真空泵浦机 构12包括涡轮式泵浦机构18和分子拖动泵浦机构20，涡轮式泵浦机 构18包括多个泵级，分子拖动泵浦机构20包括至少一个泵级。轴14 由轴承22支承，以便进行旋转。
真空泵浦机构可包括任何一种或多种类型的涡轮分子泵浦机构， 例如但不局限于涡轮式、Gaede、Siegbahn或Holweck类型的机构。 如图1中所示，其显示了涡轮式机构和Siegbahn机构。
真空泵浦机构需要在高速下旋转，其通常在至少20,000rpm的速 度，并且一般在大约36,000与90,000rpm之间的速度下旋转。这种高 速对于获得从该泵的入口处的大约1 x 10-10托(Torr)压力与该泵的出 口处1托压力的压缩是必要的。因此真空泵被认为是一种非常高速的 泵。
电动机16包括相对于轴14固定的永磁体转子24。转子24具有 四个磁极，其将在下面参看图2进行更详细地描述。根据需要更可采 用不止四个磁极。电动机包括相对于泵壳28固定的定子26。定子具 有非交叠的定子线圈，其也将在下面参看图2进行更详细地描述。
电动机控制装置30是可操作的，其用于通过根据转子24和定子 26的相对位置选择性地激励定子线圈来使电动机换向，使得转子可相 对于定子而旋转，以便驱动泵浦机构12。以下将参看图5对电动机控 制装置30进行更详细地描述。电动机控制装置30配置成以便在没有 传感器，例如霍耳效应传感器或其它基于磁场的传感器的条件下控制 对定子线圈的选择性激励。因此，不需要使转子24如图10中所示延 伸超出定子26以容许这种传感器起作用。结果，利用图1中所示的 装置减少了现有技术无刷电动机遭遇的杂散磁场，且因此，真空泵10 更适合于供对磁干扰敏感的科学设备或制造设备使用。
图2中显示了电动机16的轴向端部。转子24通常是圆柱形的， 其具有径向内表面，该内表面固定到轴14的径向外表面上，以便围 绕轴线32旋转。转子具有四个大体相同的弓形区段，或者如果转子 具有一体式构造，则具有构成转子的四个磁极的四个大体相同的弓形 转子部分。北极和南极交替地设置在转子周围，各磁极围绕轴线32 延伸不超过90°。虽然图2中显示了四个磁极，但是根据要求可采用 四个以上磁极。
定子26通过合适的手段而相对于泵壳28固定。定子具有带大体 环状周边部分的铁芯，或背铁34，六个极靴36自该铁芯或背铁沿径 向向内延伸。极靴围绕周边部分34以大约60°的角度大体等角度地 间隔开。各个极靴36的径向内表面与转子24的径向外表面间隔开某 一空气间隙，其中，通过操作定子来控制磁通量，以控制转子的旋转。
虽然所显示的实施例包括具有四磁极转子和六个定子极靴的三 相电动机，但是其它相位、磁极和极靴的组合都处于本发明的范围内。 例如，该电动机可包括等于或大于四(4，6，8，10等等)的任意偶数磁极。 然而，对于太多磁极存在相关的缺点，因为这会导致较高的换向频率， 其涉及复杂且昂贵的处理要求。这种高频率还可在电动机中产生不可 接受的损失。根据要求可提供多于或少于三相的相位，然而，对于提 供平滑的扭矩分布而言，至少三相是优选的。在P表示磁极的数量， M表示相位的数量的情况下，极靴的数量必须等于或大于P/2 x M。
定子绕组包括三根导线，其构造成以便形成六个非交叠的定子线 圈38。六个定子线圈围绕相应的极靴36而缠绕，这些极靴如A1，B1， C1，A2，B2，C2所示。第一导线40连接在电接点41之间，并形成 A1和A2处的定子线圈。第二导线42连接在电接点43之间，并形成 B1和B2处的定子线圈。第三导线44连接在电接点45之间，并形成 C1和C2处的定子线圈。如下所述，电接点41，43，45都连接到变频 器60上。如图2中的箭头所示，第一、第二和第三导线其中各导线 均延伸超出定子铁芯部分34的轴向端部，在相应的线圈A1和A2、 B1和B1、以及C1和C2之间延伸。定子的轴向长度由周边部分36 的长度以及突伸超出了部分36的各个轴向端面的绕组的轴向距离来 确定。另外，导线40，42，44延伸超出铁芯的端面，且因此可进一步 延长定子的轴向大小。
图3显示了图2的非交叠绕组装置，且图4显示了现有技术的交 叠装置。在图3中，非交叠的定子绕组可现场缠绕，并同交叠绕组相 比在电动机轴向和/或周边方向占据较少的空间。在这点上，对于非交 叠绕组，在各个极靴周围和以及各极靴轴向端部处所需要的空间是较 少的，因为在各个极靴周围只缠绕有一个线圈。另外，交叠绕组装置 不能现场缠绕，而是需要相对较复杂且费时的绕组技术。如果采用本 发明中的非交叠绕组装置，那么还可能提供一种带有分段的定子铁芯 的定子。通常，在这种定子铁芯中，各分段包括一个极靴，并且在集 成这些分段以形成定子之前，可以很容易地制作绕组。在分段的定子 中还有一个优势是，可由非烧结的合成粉末材料利用标准的粉末冶金 工艺制成定子。这种定子的各个分段可模制/铸造而成，从而使得极靴 的轴向端部与背铁(周边部分34)的轴向端部间隔开，以提供用于绕组 的空间，使得当在极靴上形成了绕组时，绕组不会延伸超出背铁的任 一轴向端部。因此应该懂得，同图4中所示的现有技术构造相比，非 交叠绕组具有相对较简单的构造，其更容易制造，并容许减少定子的 轴向和/或径向大小。在图4中，绕组102，104，106更难以制造，并且 不能现场成形，或与分段的定子结合成形。此外，这种绕组在各个极 靴周围占据了相对更多的空间，从而增加了电动机的直径，并且这种 绕组在轴向方向上相对于背铁还具有更大的延展，从而增加了定子的 轴向长度。
图5显示了电动机控制装置30。这种电动机控制装置可操作，以 控制对A1和A2、B1和B2、以及C1和C2处的定子线圈的激励，从 而提供三相换向。电动机控制装置30通过测量定子绕组中的电压和 电流来确定转子和定子的相对角度位置，并控制定子绕组的激励，以 提供正确的换向。EP0925641、EP1189335和EP1705792各示出了在 不使用传感器的条件下用于使电动机换向的控制装置，这些申请其中 各申请的内容通过引用而结合在本文中。
更详细地说，控制装置30包括用于提供定子绕组38的相位激励 的变频器60。处理器62(例如数字信号处理器)接收定子绕组38的电 流和电压信号，并根据以下等式实时地确定各绕组中的磁通量变化。
V＝IR+L dI/dt+NA dB/dt
其中，相对于定子绕组，V是电压，I是电流，R是电阻，N是匝 数，A是横截面积，L是电感，B是磁通量密度。
根据磁通量的变化可确定转子的角度位置，并使位置信号输出到 控制单元64，以用于控制变频器60以实现正确的换向。
因为本文所述类型的真空泵需要在高转速下被驱动，所以定子绕 组的换向频率必须是同等高的。同两极电动机相比，带有四个或更多 磁极的转子的使用需要更高频率的换向。因此之前并不认为其适宜采 用由带四磁极转子的电动机驱动的真空泵，因为所需的换向频率将高 得惊人。然而，已经发现频率的这种增加对真空泵具有有利的效果。 因为图1中所显示的泵壳28通常由导电材料，例如铝合金制成，所 以所产生的交变磁场的频率上的增加将通过涡流屏蔽作用而导致壳 体的衰减效应增强。因此，在真空泵中采用四磁极电动机使得真空泵 更适合于供灵敏设备使用。
当将交变磁场施加于由高导电率或高磁导率材料制成的泵壳上 时，在壳体中引起了涡流。这些涡流产生了另一磁场，其抵消了原始 施加的磁场，从而因为磁场穿过泵壳而减小。泵壳的表皮厚度Tm是 穿过壳体距离测得的测量值，磁场穿过该壳体以比率“e”(大约2.72)减 少。因此，随着表皮厚度的减少，屏蔽作用增加。根据以下公式可计 算表皮厚度。
$t_m=\sqrt{\frac{\rho }{\mathrm{\pi \mu f}}}$
其中，ρ是电阻率，μ是磁导率，f是随时间变化的磁场的频率。 对于例如具有低电阻率的铝材料或例如具有高磁导率(相对磁导率高 于100)的低碳钢材料，表皮厚度相对较小，且因此屏蔽效应相对较大。 四磁极转子的更高的频率将进一步增强屏蔽效应。
如上所述，四磁极电动机需要更高频率的换向，其通常增加了定 子中的铁耗。根据以下公式可估算出铁耗WFE。
WFeα Volume x B2 x ω2
其中，B是磁通量密度，ω是换向频率。
如上所述，四磁极电动机需要较高的换向频率，这将增加定子中 的铁耗。然而，由于图2和3中所示的非交叠绕组装置，通过避免交 叠式绕组装置中通常包括的长的端部绕组，可降低铜耗。因为由于需 要较少导线来形成绕组而降低了绕组的阻抗，所以降低了铜耗。铜耗 的这种降低可抵消定子铁耗的可能增加，以保持电动机的总损耗类似 于传统的两极电动机中的损耗。
因为四磁极电动机中的磁通量穿过电动机的四分之一而非一半， 且因此径向延伸较少(在径向方向上磁通量密度大小更低)，所以也减 少了杂散磁场。另外，因为电动机的换向如图5中所示进行计算，所 以还额外减少了杂散磁场，且因此不需要霍耳效应传感器。如上面关 于现有技术所述，霍耳效应传感器的使用需要转子延伸超出定子，并 导致杂散磁场增加。无传感器的电动机是有利的，因为其促使电动机 更适合于供灵敏设备使用，例如用于计量、成像或图案制作其中之一 的设备。作为无传感器电动机的备选，可使用光学传感器来确定转子 的旋转，并将确定结果传送到电动机控制装置，以用于换向控制。
同现有技术的电动机相比，电动机16在径向和轴向尺寸上得以 减少，且因此如图6和7中所示，同图8和9相比，电动机16可供 Holweck类型真空泵浦机构以及Gaede和Siegbahn类型真空泵浦机构 使用。因此对于不同类型的泵浦机构，不需要生产多种不同类型的电 动机，因而可降低生产成本。另一优势在于，电动机16的减小的尺 寸容许实现更为紧凑的真空泵。