Brevet FR2521230A1 — publié le 19830812

La présente invention concerne un système de paliers magnétiques de rotors de pompes à vide turbo moléculaires, dans lequel les quatre degrés de liberté d'un rotor dans le sens radial se trouvent stabilisés par des paliers magnétiques radiaux passifs, tandis que le rotor est maintenu par rapport au degré de liberté en direction axiale grâce à des butées méca- niques axiales fonctionnant à sec Ces butées sont agencées de manière à maintenir le rotor dans une position axiale telle que l'effort d'appui du rotor soit constamment en-dessous d'une valeur prédéterminée. On trouve la description d'un tel système de paliers dans la demande de brevet allemand 25 25 551. Dans ce document, il est prévu de maintenir le rotor radialement, au moyen de paliers magnétiques radiaux sans réglage, comportant des éléments constitutifs formés d'aimants permanents montés en opposition ma- gnétique dans le sens radial sur des parties tournan- tes et non tournantes Mais ce système de paliers entraîne une instabilité de la position d'équilibre dans le sens axial Il en résulte que si le rotor s'écarte légèrement de sa position d'équilibre, instable dans le sens axial, il subitdes efforts qui tendent à l'écarter davantage encore de se position d'équilibre Ces efforts augmentent avec l'écart par rapport à la position d'équilibre, si bien que le rotor exerce sur les butées un effort d'appui qui représente plusieurs fois son poids La demande de brevet allemand 28 25 551 expose un moyen permettant de maintenir ces efforts en-dessous d'une valeur pré- déterminée On mesure la valeur de ces efforts au moyen de dispositifs dynamométriques, et si cette valeur dépasse un seuil prédéterminé, un mécanisme de régulation intervient pour maintenir le rotor au voisinage de sa position d'équilibre instable, en empêchant les efforts axiaux d'appui de dépasser une valeur prédéterminée Ce système de paliers est prévu pour être réalisé de trois manières différentes dans la demande de brevet précitée Mais ces divers modes de réalisation présentent en pratique de sérieux in- convénients, qu'on peut analyser comme suit: a) La position axiale du rotor est enregistrée par un palpeur électrique de course, dont les contacts sont en position de fermeture lorsque le rotor se trouve en position d'équilibre instable, dans une pla- ge d'amplitude prédéterminée Et les contacts du pal- peur de course du rotor s'ouvrent dès que le rotor dépasse l'une ou l'autre des deux limites de cette plage de tolérance de sa position axiale L'inconvé- nient d'un tel dispositif, pour des pompes turbo mo- léculaires tournant en général à un nombre de tours par minute très élevé, tient au manque de fiabilité du palpeur à contacts, qui ne permet pas d'obtenir des signaux de régulation correcte En outre, le mécanisme de réglage qui est nécessaire est très gênant pour les circuits à vide poussé, à cause de son encombrement, ce qui contribue notamment à réduire d'une manière sensible la valeur de l'admittance de la pompe. b) La position axiale du rotor est enregistrée par un dispositif dynamométrique, de part et d'autre du ro- tor, et réglée par des mécanismes qui agissent égale- ment de part et d'autre-du rotor Or ce système présen- te l'inconvénient ci-après: En général, on réchauffe les pompes turbo molé- culaires, en vue d'obtenir au stade final un vide poussé Mais cet échauffement provoque une dilatation du carter, dont les parties non tournantes des paliers axiaux sont solidaires Il en résulte une augmentation du jeu à l'endroit des paliers axiaux, entre la surface d'appui et le tourillon d'extrémité correspondant du rotor Si le rotor se trouve en appui sur la surface supérieure du palier mécanique axial, la régulation compense efficacement la dilatation du carter Mais, par contre, si le rotor porte sur la surface d'appui inférieure du palier mécanique axial, cette surface d'appui s'écarte de l'élément tubulaire sous l'effet de la dilatation, et le système de régulation ne peut pas réagir correctement, car l'effort en jeu ne dépas- se pas le seuil de valeur prédéterminée Et si le rotor, par exemple sous l'effet d'un choc, vient por- ter vivement sur l'autre c 6 té du palier mécanique axial, il peut se trouver assez fortement écarté de sa position d'équilibre instable, nettement en dehors de la plage de tolérance prévue, ce qui risque de provoquer des efforts d'appui importants et inadmissi- bles En outre, comme déjà exposé au paragraphe a), l'encombrement important du mécanisme de réglage cons- titue un inconvénient supplémentaire en ce qui concer- ne la partie à vide poussé de la pompe. c) Pour éviter cet inconvénient, dû à l'encombrement du mécanisme de réglage, un ce qui concerne la partie 2 U à vioe poussé, la demande de brevet allemand 28 25 551 propose une autre configuration, supprimant tout mé- canisme du côté de l'enceinte à vide poussé Mais ceci entraîne, pour le tourillon d'extrémité de la butée mécanique inférieure, une usure qui peut être de l'or- dre de quelques mm Ceci est acceptable, sous réserve d'une construction prévue en conséquence Mais une telle usure à l'a droit du palier supérieur entraîne un écart hors de la position d'équilibre instable, ce qui est extrgmement critique, comme le montre l'exemple concret suivant: Soit une pompe du genre en question, comportant un rotor dont la position axiale C'équilibre est instable, avec des efforts de réaction proportionnels à l'écart de position, à rai- son de 30 J N/mm, avec une limite admise de 1 N pour ces efforts On voit que l'écart du rotor par rapport à sa position d'équilibre instable ne doit pas dépas- ser 1/300 mm Ceci veut dire qu'un écart plus important 4 2521230 a pour effet de réduire sérieusement la durée d'exis- tence du tourillon d'extrémité du rotor. Le but de l'invention est de réaliser une pompe turbo-moléculaire à paliers magnétiques, du genre ci-dessus, avec laquelle on évite les inconvénients que l'on vient d'exposer, notamment en supprimant tout mécanisme de réglage du côté de l'enceinte sous vide poussé La pompe conforme à l'invention doit être réalisée de manière à empêcher une augmentation brutale et inadmissible de l'effort d'appui du rotor dans la sens axial, en cas d'échauffement du carter de la pompe, et de manière à assurer une longue endu- rance des butées mécaniques, même en cas d'usure des tourillons d'extrémité du rotor. L'invention vise une pompe turbo-moléc-ulaire à paliers magnétiques présentant une stabilité dans le sens radial et une instabilité dans le sens axial; ces paliers magnétiques comportent des éléments cons- titués par des aimants permanents, disposés sur des parties tournantes et non tournantes de ces paliers; la pompe comporte en cutre ces butées mécaniques agissant dans la sens axial, formées par des surfaces de portage tournantes du rotor, et par des surfaces d'appui non tournantes, associées à des dispositifs dynamométriques et à des mécanismes de réglage; l'a- gencement étant tel qu'un dépassement d'une valeur prédéterminée de l'effort d'appui du rotor sur une bu- tée mécanique, sous l'effet de l'instabilité axiale de la position d'équilibre du rotor, permet de retenir le rotor au voisinage de sa position instable d'équi- libre axial, dans une position telle que l'effort d'appui du rotor sur la surface d'appui se trouve tou- jours en-dessous d'une valeur prédéterminée. Selon l'invention, la pompe turbomoléculaire telle que définie ci-dessus est caractérisée en ce que le support du palier magnétique supérieur, le sta- 2521230 tor de la pompe et le support du palier magné- tique inférieur sont associés par construction, pour constituer un ensemble qui peut coulisser axialement dans le carter de la pompe; en ce que le support du S palier magnétique inférieur est solidaire d'une plate- forme qui porte le mécanisme de réglage de la butée inférieure; la butée supérieure étant montée à poste fixe dans le carter; en ce quel'ensemble coulissant monté dans le carter peut y être déplacé au moyen de mécanismes de réglages; et en ce qu'un dispositif électro-magnétique est prévu pour communiquer au ro- tor de brèves impulsions se traduisant par des efforts axiaux Grâce à ces dispositions, lorsque le disposi- tif électromagnétique communique au rotor de brèves impulsions se'traduisant par des efforts axiaux, le rotor vient périodiquement et de manière alternative au contact des deux surfaces d'appui des butées méca- niques Ce mouvement alternatif du rotor permet d'as- surer, d'une manière constante, l'enregistrement de la position axiale du rotor, et le réglage de cette position. D'autres particularités et avantages de l'in- vention ressortiront encore de la description d'un mode de réalisation préféré, présenté ci-après à ti- tre non limitatif en référence à la figure unique annexée, qui représente en coupe axiale une pompe conforme à l'invention. On a représenté sur la figure une pompe-turbo_ moléculaire à paliers magnétiques, comportant un car- ter 1 qui contient un rotor 2, dont on va décrire les paliers Au support 15 du palier disposé en haut de la figure est associé un élément non tournant 3 du palier radial à aimant permanent correspondant En regard de cet élément 3, se trouve la partie tournante 4 du palier magnétique De même, l'autre palier analo- gue à aimant permanent, situé vers le bas de la figure, 6 2521230 comporte un support 21, une partie non tournante 5 et une partis tournante 6 Les butées mécaniques agissant dans le sens axial comportent des tourillons d'extrémité 7 et 9, associés à des surfaces d'appui 8 et 10. La pompe est entraînée en rotation par un mo- teur électrique, comportant un rotor 11 et un stator 12, fixé dans une monture 19 Les efforts d'appui du rotor sur les parties non tournantes 8 et 10 des butées mécaniques sont enregistrés au moyen de dis- positifs dynamométriques 13 et 14 Des éléments annulaires 16 et 17 sont prévus pour séparer l'un de l'autre les disques du stator et supporter ces disques. Le support 15 du palier magnétique supérieur, le stator de la pompe, formé en périphérie par les éléments annulaires 16 et 17, outre l'élément annu- laire 18, la monture 19 du stator du moteur, l'élé- ment annulaire 20, et la monture 21 du palier magné- tique inférieur, constituent par construction un ensemble prévu pour être engagé par coulissement dans le carter 1, et retenu en position d'assemblage par dés ressorts d'appui 25 Il faut là que l'effort exercé par ces ressorts soit un multiple de l'effort le plus important pouvant résulter de l'instabilité axiale des paliers magnétiques; sinon les efforts magnétiques pourraient compromettre l'assemblage de ces parties internes enfilées dans le carter de la pompe Le coulissement axial de cet ensemble interne de la pompe, pour assurer la compression préalable des ressorts 25, est assuré au moyen de mécanismes à vis sans fin 23, en appui sur un fond 29 fixé au carter. Les mécanismes 23 de compression des ressorts sont associés à des tiges 28, auxquelles est fixée une plate-forme 22, disposée entre les mécanismes 23 et la plaque de fixation 21 du palier magnétique infé- 7 2521230 rieur Cette plate-forme 22 porte le dispositif dyna- mométrique 14, grâce auquel on peut faire varier de manière réglable la position de la surface d'appui 10 du palier mécanique inférieur, par rapport à l'ensemble constitué par les pièces internes du stator de la pompe Pour empêcher le passage des vapeurs d'huile des compartiments des mécanismes dans le volume inter- ne de la pompe à vide, on a prévu des soufflets d'é- tanchéité 26 et 27 autour des extrémités des tiges de compression 28, pour séparer les compartiments des mécanismes et le volume interne de la pompe à vide. Grâce à un dispositif-constitué par un enroule- ment plongeur 30, associé à un aimant permanent 31 à champ magnétique radial, on peut exercer de brèves impulsions axiales sur le rotor, à des intervalles de temps prédéterminés Gn peut aussi produire ces impul- sions axiales au moyen d'électro-aimants, excités al- ternativement et de manière brève. Le dispositif dynamométrique 13 permet de com- mander les mécanismes de compression 23 des ressorts , et le dispositif dynamométrique 14 permet de commandez le mécanisme de réglage axial 14 de la sur- face c'appui 10 de la butée mécanique inférieure Si par exemple, l'effort en jeu à l'endroit du dispositif dynamométrique 13 est trop élevé, le mécanisme de compression 23, asservi au dispositif 13, intervient pour faire coulisser vers le palier supérieur, l'ensem- ble constitué par les parties coulissantes et par les pièces solidaires de la plate-forme inférieure 22. Ceci correspond à un déplacement relatif du rotor vers le bas, par rapport a ces parties, et entraîne donc une diminution de l'effort axial Ce processus se poursuit jusqu'au monent o cet effort axial revient endessous de sa valeur prédéterminée Si l'effort exercé sur le capteur dynamométrique inférieur 14 est à son tour trop élevé, c'est le mécanisme de réglage 24 asservi au capteur 14 qui intervient pour a 2521230 faire avancer la surface d'appui 10, de telle manière à provoquer un coulissement du rotor vers le haut et réduire ainsi l'effort en jeu Si les deux dispositifs dynamométriques 13, 14 indiquent l'un et l'autre un effort trop élevé, les deux mécanismes 23, 24 agissent dans des sens opposés, de manière à écarter l'une de l'autre les surfaces d'appui 8, 10 des butées mécani- ques pour réduire les efforts encaissée par ces surfaces; Si un jeu apparaît dans une butée mécanique, entre le tourillon d'extrémité du rotor et la surface d'appui associée, par exemple sous l'effet d'une dila- tation thermique du carter, cette anomalie n'est pas immédiatement perçue par le système de régulation Un générateur d'impulsions communique, à des interval- les de temps prédéterminés, des impulsions d'intensité alternativement positives et négatives à l'enroule- ment plongeur 30 Ces impulsions électriques sont converties par le dispositif électro-magnétique en impulsions mécaniques se traduisant par des efforts axiaux sur le rotor Si le rotor n'a aucun contact avec l'une des surfaces d'appui des butées mécaniques, il.vient en appui du c 5 té de la butée en cause, sous l'effet de l'impulsion correspcndante, et le système de régulation entre au besoin en jeu. Naturellement, l'invention n'est nullement limitée à la réalisation particulière qui a été décrite à titre d'exemple et elle en englobe au con- traire toutes les variantes. 9 2521230 REVENDICATIONS: 1 Pompe turbo-moléculaire à paliers magnétiques pré- sentant une stabilité dans le sens radial et une ins- tabilité dans le sens axial, ces paliers magnétiques comportant des éléments constitués par des aimants permanents disposés sur des parties tournantes et non tournantes de ces paliers; la pompe comportant en outre des butées mécaniques agissant dans le sens axial formées par des surfaces de portage tournantes du rotor, et par des surfaces d'appui non tournantes associées à des dispositifs dynamométriques et à des mécanismes de réglage, avec un agencement tel qu'un dépassement d'une valeur prédéterminée de l'effort d'appui du rotor sur une butée mécanique, sous l'effet de l'instabilité axiale de la position d'équilibre du rotor, permet de retenir le rotor au voisinage de sa position instable d'équilibre axial, dans une posi- tion telle que l'effort d'appui du rotor sur la surface d'appui sa trouve toujours en-dessous d'une valeur prédéterminée; cette pompe étant caractérisée en ce que le support ( 15) du palier magnétique supérieur, le stator de la pompe, et le support ( 21) du palier magnétique inférieur sont associés par construction, pour constituer un ensemble qui peut coulisser axiale- ment dans le carter ( 1) de la pompe, en ce que le support ( 21) du palier magnétique inférieur est solidai- re d'une plate-forme ( 22) portant le mécanisme de ré. glage ( 24) de la butée inférieure ( 9,10), la butée su- périeure ( 7,8) étant montéeà poste fixe dans le carter ( 1), en ce que l'ensemble coulissant disposé dans le carter peut y Stre déplacé au moyen de mécanismes de réglage ( 23), et en ce qu'un dispositif électro-magné- tique ( 30,31) est prévu pour communiquer au rotor ( 2) de braves impulsions se traduisant par des efforts axiaux. 2521230 2 Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que les mécanismes de réglage ( 23,24) sont disposes dans l'enceinte sous vide préliminaire de la pompe- turbo moléculaire. 3 Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que les mécanismes de réglage ( 23,24) sont dispo- sés en dehors de l'enceinte sous vide de la pompe. 4 Pompe selon l'uns quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comporte un dis- positif électro-magnétique ( 30,31), pour exercer sur le rotor, a des intervalles de temps prédéterminée et de manière alternative des impulsions alternati- vement positives et négatives, se traduisant sur le rotor par des efforts axiaux. Pompe turbo moléculaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le dispositif électromagnétique comporte un enrou- lement plongeur ( 30) et un système à aimant permanent ( 31) à champ magnétique radial.