转子支撑件和具有这种转子支撑件的真空泵 |
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| 申请号 | CN202080042931.1 | 申请日 | 2020-06-02 | 公开(公告)号 | CN113924418B | 公开(公告)日 | 2024-05-07 |
| 申请人 | 爱德华兹有限公司; | 发明人 | N·P·肖菲尔德; | ||||
| 摘要 | 公开了一种 转子 支撑 件(5)，其构造成将转子轴(20)可旋转地安装在 真空 泵 中。转子支撑件(5)包括： 滚动 轴承 (10)，用于可旋转地支撑轴(20)；插入件(70)和至少一个弹性阻尼构件(40)，所述插入件(70)和所述至少一个弹性阻尼构件(40)围绕所述 滚动轴承 (10)。插入件(70)包括由多个柔性构件(58)连接的内和外环形部分(54，56)，所述多个柔性构件(58)构造成在径向平面中挠曲并抵抗在轴向平面中的运动，从而吸收轴(20)的径向运动。所述至少一个弹性阻尼构件(40)由构造成在径向和轴向方向两者上挠曲的弹性体材料形成。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种转子支撑件，其被构造成将转子轴可旋转地安装在真空泵中，所述转子支撑件包括： |
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| 说明书全文 | 转子支撑件和具有这种转子支撑件的真空泵技术领域背景技术[0002] 真空泵，诸如涡轮分子泵，通常包括主体和被支撑以相对于主体旋转的转子。转子在旋转时从连接到泵的入口的工具中抽取气体。转子由轴承装置支撑。在一些情况下，存在两个轴承，上部轴承呈磁性轴承的形式，而下部轴承呈滚动轴承的形式。 [0003] 在这种泵中，重要的是，转子以轴向刚性的方式安装，使得转子和定子部件之间的间隙得以保持并且磁性轴承有效地操作。然而，在一些应用中，由于转子的旋转而产生的振动与泵主体隔离以阻止这些振动被传递到连接到入口的工具也是重要的。在诸如电子显微镜的科学仪器中尤其如此。 [0004] 当泵被维修并且轴承需要被更换时，出现了安装所述轴的另一个问题。在这种泵中使用新的轴承通常需要泵被重新平衡，然而，如果使用具有足够径向柔性的轴承，该轴承也具有轴向刚度，则该重新平衡步骤可以省去，从而允许泵在现场被维修。 [0005] 这些问题中的一些已经使用如EP2126365中公开的插入件或紧凑金属弹簧阻尼器来解决，该插入件或紧凑金属弹簧阻尼器用于将轴承安装到泵的主体上并且提供轴向刚度和径向柔性。 [0006] 然而，对于一些应用，传递到泵主体的振动量仍然太高。在滚动轴承变得被磨损并且高频振动可能在转子和泵主体之间传递的情况下尤其如此。 [0007] 将期望提供一种泵，其具有改进的与由于旋转转子而引起的振动的隔离。 发明内容[0008] 第一方面提供了一种转子支撑件，其被构造成将转子轴可旋转地安装在真空泵中，所述转子支撑件包括：滚动轴承，用于可旋转地支撑所述轴；插入件和至少一个弹性阻尼构件，所述插入件和所述至少一个弹性阻尼构件围绕所述滚动轴承；其中所述插入件包括由多个柔性构件连接的内环形部分和外环形部分，所述多个柔性构件被构造成在径向平面中挠曲并且抵抗在轴向平面中的运动，从而吸收所述轴的径向运动；并且所述至少一个弹性阻尼构件由构造成在径向和轴向方向两者上挠曲的弹性体材料形成；其中，所述至少一个弹性阻尼构件构造成支撑所述插入件并且与所述插入件串联布置。 [0009] 本发明的发明人认识到，尽管当将转子安装在其中转子的精确轴向定位以及低振动都很重要的真空泵中时，轴向刚度和一些径向柔性是期望的，但是使用轴向刚度过高的插入件可以提供振动在转子、轴承和泵主体之间传播的路径。 [0010] 在轴承和泵主体之间提供一些进一步的隔离可以帮助减轻这个问题，同时仍然提供可接受的轴向定位。特别地，提供具有轴向和径向柔性以支撑插入件并且与插入件串联布置的弹性体材料提供了振动的隔离和阻尼。 [0011] 弹性阻尼构件与插入件串联定位，使得当转子支撑件在泵中支撑转子时，弹性阻尼构件可以位于滚珠轴承和插入件之间和/或弹性阻尼构件可以围绕插入件的外表面定位，使得弹性阻尼构件位于泵壳体与插入件的外环形部分之间。实际上，当安装转子时，提供与插入件串联的弹性阻尼构件允许转子支撑件提供插入件的轴向刚度的功能，同时由于在滚珠轴承和泵壳体之间的阻尼构件的附加柔性而提供改进的振动隔离。 [0012] 应当注意，尽管弹性体材料提供了轴向和径向方向两者上的柔性以及与振动的良好隔离，但是弹性体越柔性，径向和轴向柔性越大，使得在某种程度上失去了对每个的独立控制。然而，由弹性体材料形成的弹性构件与被构造成提供径向柔性和轴向刚度的插入件的结合使用是一种组合，其允许通过插入件的设计来一定程度地独立控制轴向和径向刚度的量，同时提供附加的隔离以利用阻尼构件减少振动传递。 [0013] 在一些实施例中，所述弹性阻尼构件以以下构造中的至少一种与所述插入件串联布置：所述至少一个弹性阻尼构件中的至少一者位于所述插入件和所述滚动轴承之间；并且所述插入件的所述外环形部分位于所述至少一个弹性阻尼构件中的至少一者与所述滚动轴承之间。 [0014] 在一些实施例中，所述插入件由刚性材料形成，并且所述柔性构件在轴向上比它们的宽度长，从而提供轴向刚度和径向柔性。 [0015] 轴向刚度和径向柔性可以通过如下来提供：使插入件由诸如金属或塑料材料的刚性材料制成并且使柔性构件轴向较长以使得它们抵抗轴向方向上的弯曲，同时相对较薄以使得它们可以径向地挠曲。这样，在每个方向上的柔性程度通过柔性构件的材料和尺寸被构建到设计中。 [0016] 在插入件由金属材料制成的情况下，插入件和泵主体之间以及插入件和滚动轴承之间的金属与金属的接合部则提供了振动路径，在使用弹性体材料来中断该路径的情况下，可以有效地阻止该振动。塑料材料本身可以减少一些振动传递，然而，另外的弹性构件将更进一步地阻止振动。 [0017] 尽管柔性构件可以以多种方式形成，但是在一些实施例中，每个柔性构件包括与内和外环形部分基本同心的细长弧形构件。 [0018] 在一些实施例中，柔性构件提供多个整体的片簧，这些片簧提供径向柔性。 [0020] 应当注意，当将转子安装到泵上时，弹性阻尼构件可以位于插入件和泵主体之间，或者位于插入件和滚动轴承之间。在插入件结合到滚动轴承的情况下，插入件可以直接结合到滚动轴承，或者在弹性阻尼构件位于滚动轴承和插入件之间的情况下，弹性阻尼构件可以结合到滚动轴承，并且插入件可以结合到弹性阻尼构件。将插入件结合到滚动轴承允许它们相对于彼此精确且一致地轴向定位。 [0021] 在一些实施例中，所述至少一个弹性阻尼构件位于所述插入件和所述滚动轴承之间。 [0022] 替代性地或附加地，所述插入件位于所述滚动轴承与所述弹性阻尼构件之间。 [0023] 在插入件邻近滚动轴承定位的情况下，则可以更容易且有效地执行插入件到滚动轴承的结合。弹性体材料的结合可能更困难，并且在一些实施例中它们将不被结合。 [0024] 在一些实施例中，转子支撑件还包括至少一个弹性轴向阻尼构件，该弹性轴向阻尼构件由弹性体材料形成并且安装成使得所述滚动轴承的轴向运动改变所述弹性轴向阻尼运动上的压缩。 [0025] 如前所述，使用由具有很小轴向柔性的刚性材料形成的插入件可以允许一些振动噪声被传递到泵主体。这通过提供一些轴向和径向柔性的弹性阻尼装置来减小。然而，轴向柔性应当受到限制，并且它可以进一步受到弹性轴向阻尼构件的限制，该弹性轴向阻尼构件被构造成使得轴向运动压缩或挤压材料，从而提供对轴向运动的有效阻力。提供径向支撑的弹性阻尼构件被轴向力剪切，并且可以提供对轴向位移的较小阻力。 [0026] 在一些实施例中，所述至少一个弹性轴向阻尼构件安装在所述转子支撑件的径向平面中的外表面上。 [0027] 在一些实施例中，为了提供附加的轴向稳定性，弹性轴向阻尼构件可以安装在位于径向平面中、垂直于轴的轴线的表面上，并且构造成使得当安装在泵中时，该弹性轴向阻尼构件与泵上的类似径向延伸的表面协作，使得弹性轴向阻尼构件安装在两个表面之间，所述表面朝向彼此的相对轴向运动将阻尼构件压缩不同的量。 [0028] 在一些实施例中，所述插入件包括从所述内部环形构件的端部向内延伸的延伸部，所述表面在所述滚动轴承上方延伸，所述弹性轴向构件安装在所述滚动轴承的面向所述延伸部的表面与所述延伸部的面向所述滚动轴承的表面之间。 [0029] 径向平面中的表面可以在插入件的内部环形构件的延伸部上，该延伸部径向延伸跨过滚动轴承的端表面并且从该端表面轴向移位，使得弹性轴向构件安装在延伸表面和滚动轴承表面之间。 [0030] 在一些实施例中，所述至少一个弹性阻尼构件在轴向上比所述弹性轴向阻尼装置更具柔性。 [0031] 弹性轴向阻尼构件设置成赋予比至少一个弹性阻尼构件更高的轴向刚度，该至少一个弹性阻尼构件的轴向柔性可以是所述弹性轴向阻尼构件的轴向柔性的1.5倍以上。这可能是由于弹性轴向阻尼构件的形状，和/或由于其安装在径向平面中的两个表面之间，使得轴向运动压缩弹性轴向阻尼构件，和/或可能是由于形成弹性轴向阻尼构件的材料。 [0032] 在一些实施例中，所述弹性轴向阻尼构件包括在未被压缩时具有大致矩形横截面的构件。 [0034] 在一些实施例中，所述弹性轴向阻尼构件和所述至少一个弹性阻尼构件包括单个构件。 [0035] 在一些实施例中，它们包括单个L形构件。 [0036] 尽管两个或更多个阻尼构件可以单独地形成，但是在一些实施例中，它们可以形成为单件，可能形成为L形构件，其可操作以在部件之间的径向路径中和在部件之间的轴向路径中提供弹性体元件。 [0037] 在一些实施例中，所述至少一个弹性阻尼构件包括至少一个O形环。 [0038] 至少一个弹性阻尼构件可以是一个或多个O形环，其允许滚柱轴承和插入件滑动到泵内的适当位置。 [0039] 第二方面提供一种真空泵，包括：一种转子，包括在转子支撑件上可旋转地安装在泵主体内的轴，所述转子支撑件包括根据第一方面的转子支撑件。 [0040] 在一些实施例中，所述至少一个弹性阻尼构件或所述插入件中的外部的一者结合到所述泵主体。 [0041] 转子支撑件可以结合到泵，这将提供附加的轴向稳定性，在这种情况下，可以不使用弹性轴向阻尼构件。 [0042] 在一些实施例中，所述O形环安装在所述泵主体上的凹部中。 [0043] （一个或多个）O形环可以安装在泵主体中的（一个或多个）凹部内，从而允许转子支撑件滑动就位。 [0044] 在一些实施方式中，所述真空泵包括涡轮分子泵。 [0045] 涡轮分子泵通常用于提供一些科学分析所必需的高真空，并且在这种情况下可能需要低振动环境。例如，电子显微镜就是这种情况。因此，为这些泵提供用于将转子与泵主体隔离的装置可以提高它们的性能。 [0046] 在一些实施例中，所述真空泵包括另外的轴承，所述另外的轴承包括磁性轴承，所述滚动轴承朝向所述轴的一端安装，并且所述磁性轴承朝向相对端安装。 [0047] 诸如涡轮分子泵的许多泵具有磁性轴承以减小摩擦力并提供可在泵入口附近使用的清洁轴承。这些磁性轴承需要精确地控制轴的轴向定位以使磁性轴承有效，它们还在轴上提供轴向载荷，从而将轴朝向轴承偏置。这种偏置可以将轴保持在适当位置，特别是当与位于两个径向延伸表面之间的弹性轴向阻尼构件结合使用时，一个径向延伸表面与转子支撑件相关联，并且一个径向延伸表面与泵主体相关联。 [0050] 现在将参考附图进一步描述本发明的实施例，在附图中： [0051] 图1示出了贯穿根据第一实施例的转子支撑装置的横截面； [0052] 图2示出了图1的转子支撑装置的插入件；以及 [0053] 图3示出了贯穿根据另一实施例的转子支撑装置的一侧的横截面。 具体实施方式[0054] 在任何更详细地讨论实施例之前，首先将提供概述。 [0056] 在诸如泵浦电子显微镜（pumping electron microscopes）的应用中，由涡轮泵引起的振动水平对于显微镜分辨率是非常关键的。为了降低由泵引起的振动水平，可以使用紧凑的金属弹簧阻尼器来安装滚珠轴承。这使用周向弹簧元件来提供低径向刚度，但高轴向刚度，因此吸收由于不平衡引起的轴的径向运动，但保持转子的良好轴向位置。这实现了高水平的隔离和良好的振动性能，然而在最需要的应用中仍然存在改进的空间。 [0057] 实施例寻求通过使用弹性体元件来支撑插入件，提供一定程度的轴向和径向顺应性，并且进一步将轴承噪声和振动与主泵壳体隔离，来增强这种插入件的性能。 [0058] 顺应元件可以由一个或多个部件构成，所述部件诸如用于径向定位的一个或多个O形环和用于轴向定位的平坦弹性体“垫圈”。替代性地，“L”形弹性体部件可提供轴向和径向定位。 [0059] 在一个实施例中，弹性体元件安装在插入件和泵壳体之间，替代性地或附加地，它们安装在轴承和插入件之间。 [0060] 这种布置用于具有单个滚珠轴承和无源磁性轴承(passive magnetic bearing)的泵中，或者用于具有支撑所述轴的两个滚珠轴承的泵中。 [0061] 图1示出了贯穿根据实施例的通过由转子轴支撑件5支撑的转子轴20的横截面。转子轴支撑件5包括滚动轴承10，所述滚动轴承通过紧凑的金属弹簧阻尼器或插入件70保持在适当位置。在该实施例中，插入件70通过粘合剂结合到轴承10。插入件70为轴承10提供轴向刚度和一定的径向柔性，有助于将它们保持在适当位置，同时允许一定的径向运动以吸收振动。转子轴20是涡轮分子泵的轴。 [0062] 插入件70经由由弹性体材料形成的安装在插入件70和泵主体30之间的弹性阻尼构件40安装到泵主体30。该弹性阻尼构件40具有一定的轴向和径向柔性，并且有助于进一步减小振动。在一些实施例中，通过将转子支撑件附着到泵主体30上而将轴保持在适当位置，然而，在该实施例中，转子支撑件通过另一弹性阻尼构件保持在适当位置，在该情况下，该另一弹性阻尼构件为轴向弹性阻尼构件42。 [0063] 轴向弹性阻尼构件42安装在泵壳体30的突出部分与插入件70的上表面之间。在该实施例中，轴向弹性阻尼构件42是环形垫圈。弹性阻尼构件40具有环形形式，并且比平坦垫圈42厚，从而允许更多的轴向运动。垫圈42被布置成使得轴承的轴向运动压缩垫圈，并且因此抵抗轴向运动。 [0064] 轴20安装在位于朝向泵的出口端的滚动轴承10上和位于朝向泵的入口端的磁性轴承(未示出)上。这些磁性轴承提供偏置力以保持插入件70抵靠垫圈42。这样，垫圈42有助于提供转子轴20的轴向对准，同时其弹性有助于减小从滚动轴承10沿轴向路径到泵主体30的振动传递。垫圈42的弹性选择得相对较低，使得限制轴向运动并将轴向对准保持在可接受的限度内。弹性构件40的弹性选择得较高，以提供更大的柔性并减小振动传递，特别是在插入件70和泵主体30之间的径向路径中的振动传递。 [0065] 图2更详细地示出了插入件70。插入件70设置成以轴向刚性且径向柔性的方式将轴安装在滚动轴承内。在该实施例中，插入件70由金属材料形成，但在其他实施例中，其可由塑料形成。插入件70具有通过多个柔性构件58连接在一起的整体的内环形部分54和外环形部分56。在该实施例中，它们通过在插入件70中加工槽60而形成。每个柔性构件58通过第一弹性铰链62连接到内部部分54，并且通过第二弹性铰链64连接到外部部分56。每个柔性构件58呈细长的弧形构件的形式，其与内环形部分54和外环形部分56基本同心，并且如图2中所示，柔性构件58优选地沿周向对齐。弹性支撑件52的柔性构件58因此提供弹性支撑件或插入件70的整体片簧。如可以了解的，插入件70在径向和轴向方向中的每一个方向上的弹性取决于插入件的材料和柔性构件58的厚度和形状以及它们的铰接部分64、62。因此，插入件可以根据需要设计成具有期望的轴向和径向特性。 [0066] 图3示出了贯穿转子支撑件5的一侧的横截面的替代性实施例，该转子支撑件被构造成在泵主体30内支撑真空泵转子的轴20。转子支撑件5包括插入件70、滚动轴承10和弹性构件40、42和43。 [0067] 在该实施例中，轴20经由转子支撑件5朝向泵的出口端被安装，并且朝向泵的入口端安装在磁性轴承(未示出)上。磁性轴承在轴20上提供偏置力80，该偏置力将轴偏置在弹性构件43的一部分以及轴向弹性构件42上。 [0068] 应当了解的是，柔性弹性构件可以位于滚动轴承10和插入件70之间和/或插入件70和泵主体30之间。在该实施例中，它们安装在两者之间，但是在一些实施例中，仅存在柔性弹性构件40和42或柔性弹性构件43。 [0069] 弹性构件可以结合到滚动轴承10和插入件70以及泵主体壁30，然而，通常弹性构件通过它们的弹性保持在适当位置。 [0070] 在图3的实施例中，滚动轴承10附着到轴20。插入件70位于泵主体30和滚动轴承10之间，并且在滚动轴承10和插入件70之间存在L形弹性构件43。L形弹性构件由弹性体材料形成，并且沿着径向延伸部分的横截面宽度比沿着轴向延伸部分的横截面宽度更窄。在插入件70和泵主体30之间存在另外的弹性构件。这些弹性构件包括轴向弹性构件42以及位于泵主体壁的凹部32中的O形环40。在其他实施例中，L形弹性构件43可以由两个单独的弹性构件代替，一环形垫圈布置成位于滚动轴承10的上表面上，并且一环形弹性体阻尼构件布置成围绕轴承10的外表面并邻近插入件70的内表面。 [0071] 插入件70具有内部环形构件54，该内部环形构件在一个轴向端部处具有径向向内延伸部分，该径向向内延伸部分在滚动轴承10上延伸，并且提供用于L形弹性构件43的在滚动轴承10的轴向端部表面上延伸的部分的表面，以便与该表面邻接并且提供附加的轴向稳定性。插入件还具有中心柔性构件58，其从外部环形构件56延伸到内部环形构件54，并提供径向柔性，同时还将滚动轴承朝向中心位置偏置。外部环形构件56在至径向向内延伸部分的另一轴向端具有径向向外延伸部分，该径向向内延伸部分提供了与泵壁主体30的突出部分34平行的表面。呈垫圈形式的轴向弹性构件42位于两个平行的径向延伸表面之间，并提供了附加的轴向稳定性。在该实施例中，偏置力80将轴承偏置在L形构件43上，并且将插入件70偏置在弹性构件42上，从而将支撑件轴向地保持在适当位置，偏置力80抵抗沿向下方向的轴向运动，并且两个弹性构件42、43抵抗沿向上方向的轴向运动，并且用于阻尼任何轴向振动。 [0072] O形环40以及L形弹性构件43的轴向延伸部分提供了从轴和轴承朝向泵主体30径向传播的振动的阻尼。O形环40安装在泵主体壁30的凹部32中，并且这允许在插入件、轴和轴承滑动就位时将其保持就位。 [0073] 如果滚动轴承10需要更换，那么转子支撑件5的布置将有助于在径向和轴向上精确地定位轴，从而允许轴承在现场更换而不需要重新平衡。 [0074] 尽管本文已经参考附图详细公开了本发明的说明性实施例，但是应当理解，本发明不限于精确的实施例，并且本领域技术人员可以在其中实现各种改变和修改，而不脱离由所附权利要求及其等同物限定的本发明的范围。 [0075] 附图标记 [0076] 5 转子支撑件 [0077] 10 滚动轴承 [0078] 20 轴 [0079] 30 泵主体 [0080] 32 泵壁凹部 [0081] 34 泵壁突出部分 [0082] 40 O形环 [0083] 42 垫圈 [0084] 43 L型弹性构件 [0085] 54 内部环形构件 [0086] 56 外部环形构件 [0087] 58 柔性构件 [0088] 60 槽 [0089] 62、64 铰链 [0090] 70 插入件 [0091] 80 偏置力。 |
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