Brevet FR2536473A1 — publié le 19840525

C 473 La présente invention concerne une pompe turbomoléculaire utili- sant un palier magnétique pour supporter sans contact un rotor en forme de cloche, par la combinaison d'électro-aimants et d'aimants permanents, ou seulement par des électro-aimants. Bien que divers types de pompes turbomoléculaires conçues de façon à faire tourner à grande vitesse un rotor comportant des ailettes radiales aient été proposés ou décrits, ces pompes ont présenté divers problèmes concernant la partie de support (partie de palier) du rotor, à cause de la vitesse de rotation élevée du rotor. Dans un type classique bien connu de pompe turbomoléculaire, dans lequel un rotor est supporté par un palier mécanique qui nécessite de l'huile de lubrification, un hydrocarbure séparé-de l'huile ne circule pas en sens arrière vers un orifice d'entrée, à cause du courant de gaz circu- lant de l'orifice d'entrée vers un orifice de sortie lorsque la pompe fonctionne Cependant, il y a une possibilité que l'hydrocarbure circule en sens arrière pour atteindre l'orifice d'entrée lorsque la pompe est à l'état inactif, du fait que le courant de gaz est arrêté, et l'hydrocarbu- re atteint l'orifice d'entrée du fait de la diffusion L'existence d'un tel hydrocarbure est inadmissible dans les expériences concernant la physique des surfaces, etc, et cet inconvénient a conduit à une restric-' tion du domaine d'utilisation de la pompe turbomoléculaire classique, ou à la nécessité d'une valve coûteuse pour empêcher un courant inverse En outre, une pompe turbomoléculaire dont la capacité augmente en fonction de - la vitesse de rotation des ailettes, est limitée à une certaine valeur de vitesse de rotation, du fait que le palier s'use plus rapidement lorsque la vitesse de rotation augmente. On connaît un autre type de pompe turbomoléculaire employant un palier magnétique du type commandé à cinq axes (voir la demande de brevet japonaise publiée n O 30998/82), dans laquelle un rotor est supporté sans contact par l'utilisation d'un palier magnétique axial et de deux paliers magnétiques radiaux Cette pompe a l'avantage qui consiste en ce qu' aucun hydrocarbure ne circule vers un orifice d'entrée, du fait qu'elle n'exige pas une lubrification par huile Cependant, du fait que cinq degrés de liberté du rotor, autres que la rotation, sont commandés de façon active dans une telle pompe, cinq paires de boucles de commande comprenant un capteur de position, un circuit de compensation de gain/ phase, un circuit d'attaque d'électro-aimant et un électro-aimant sont nécessaires, ce qui entraîne une augmentation de coût et une augmenta- tion de la taille de la pompe, à cause d'une structure de palier et d'un circuit plus complexes, par rapport à un système de palier mécanique En outre, dans ce type de pompe, le palier est exempt d'usure, du fait du support sans contact, et la durée de vie de service est limitée par la fiabilité du circuit De ce fait, la durée de vie de service n'est pas très élevée, à cause du grand nombre d'éléments de circuit, et, en outre, la vitesse de rotation ne peut pas être augmentée davantage, par crainte d'une force centrifuge agissant, pendant la rotation, sur une plaque d'acier électromagnétique en une matière ayant une résistance mécanique plus faible, par le fait que la pompe turbomoléculaire est du type à rotor extérieur Comme décrit ci-dessus, la caractéristique de support sans contact n'est pas suffisamment utilisée dans ce système. Pour surmonter ces inconvénients, il a été proposé une autre pompe turbomoléculaire employant un palier magnétique qui a une structu- re et un circuit simples (demande de brevet japonaise publiée n O 12095/81), dans laquelle seule la direction axiale est commandée de façon active, et quatre autres degrés de liberté relatifs à la direction radiale sont commandés de façon passive Cette pompe n'est cependant pas utilisée en pratique, pour les raisons qui consistent en ce qu'un tour- noiement interdit le passage par le point de résonance du système pen- dant l'augmentation de la vitesse de rotation du rotor, et un tournoie- ment produit par une perturbation dure trop longtemps, à cause d'une faible atténuation dans la direction radiale. On connaît en outre (brevet US 3 749 528) une pompe turbomo- léculaire comprenant un palier magnétique pour la partie supérieure et un palier mécanique pour la partie inférieure Cependant, ce type de pompe n'utilise pas pleinement les avantages d'un palier magnétique, tels que l'absence de nécessité de lubrification par huile et le support du rotor sans contact. L'invention est faite en considération des inconvénients préci- tés, et son but est d'assurer une rotation stable d'un rotor sans huile, ainsi que de parvenir à une fiabilité élevée, à la miniaturisation, à la réduction du coût et à la rotation à vitesse plus élevée, par rapport au palier magnétique classique du type commandé à cinq axes, en adoptant dans une pompe turbomoléculaire un palier magnétique dans lequel trois des cinq -degrés de liberté, à l'exclusion de celui d'une rotation du rotor, sont commandés de façon active, et les deux degrés de liberté restants font l'objet d'un support passif avec limitation, et en faisant tourner le rotor à la manière d'un système à rotor intérieur. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est une coupe longitudinale montrant un mode de réalisation d'une pompe turbomoléculaire conforme à l'invention; La figure 2 est une représentation schématique du système de palier magnétique de l'invention; La figure 3 est un schéma expliquant la relation entre la constante de rappel en direction radiale, la constante de rappel stable en direction axiale et-la constante de rappel en rotation autour du cen- tre de gravité; et Les figures 4, 5 et 6 sont des coupes longitudinales d'une par- tie de la structure du mode de réalisation de l'invention. On va maintenant considérer la figure 1 qui est une coupe lon- gitudinale montrant un mode de réalisation de l'invention La valeur du déplacement d'un arbre 3 à partir d'un point d'équilibre, en direction radiale, est détectée par un capteur de déplacement en direction radiale 1, et le signal est appliqué à des circuits de compensation de gain/phase et à des circuits d'attaque d'électro-aimant (aucun d'eux n'est représen- té), et un électro-aimant de direction radiale 2 est excité par le signal Il en résulte que l'arbre 3 revient en arrière et demeure à un point d'équilibre en direction radiale Du fait que deux directions, à savoir une certaine direction et une autre direction linéairement indé- pendante, doivent être commandées pour assurer une commande active en direction radiale, deux paires de circuits de compensation de gain/phase et de circuits d'attaque d'électro-aimant sont nécessaires En ce qui concerne une direction axiale, un aimant permanent du côté stator, 4, et un aimant permanent du côté rotor, 5, sont disposés de façon à s'attirer d'une manière telle que l'arbre 3 soit toujours attiré vers l'aimant per- manent du côté stator, 4 Un capteur de déplacement axial 6 détecte la valeur du déplacement de l'arbre 3 à partir du point d'équilibre de l'axe de l'arbre 3 Le courant de bobine correspondant qui circule dans un électro-aimant axial 7 est commandé par un circuit de compensation de gain/phase et par un circuit d'attaque d'électro-aimant (aucun d'eux n'est représenté), conformément au signal Il en résulte que les forces qui attirent l'arbre 3 vers l'aimant permanent du côté stator, 4, et dans la direction opposée sont commandées, et l'arbre 3 est tiré vers un point d'équilibre axial et maintenu à ce point Dans ce cas, un seul jeu du circuit de compensation de gain/phase et du circuit d'attaque d'élec- tro-aimant est nécessaire Le palier magnétique classique du type comman- dé à cinq axes nécessite la mise en place d'une autre combinaison d'un capteur, d'électro-aimants et d'un circuit, -pour effectuer une commande active en direction radiale, en plus des éléments précités Cependant, dans l'invention, on peut éliminer ces éléments supplémentaires en fai- sant en sorte que l'électro-aimant axial 7, l'aimant permanent du côté stator, 4, et l'aimant permanent du côté rotor, 5, accomplissent ces opérations En effet, du fait que la force d'attraction de l'électro- aimant axial 7 s'oppose aux forces des aimants permanents du côté stator et du côté rotor, 4, 5, dans la direction de l'axe, dans l'état d'équi- libre, les-positions d'un"disque amateur" 8 et des aimants permanents du côté rotor sont déplacées en direction radiale par rapport à l'électroaimant axial 7 et à l'aimant permanent du côté stator, 4, lorsque l'arbre 3 est déplacé par rapport au point d'équilibre dans la direction radiale, et un moment de redressement agit proportionnellement à la valeur du déplacement de l'arbre 3 pour placer celui-ci à la posi- tion d'origine La position de l'arbre 3 en direction radiale est limitée de façon passive et est maintenue de force au point d'équilibre En main- tenant l'arbre 3 de cette manière, on peut supprimer dans la structure de la pompe de l'invention une paire d'électro-aimants de direction radiale et de capteurs de direction radiale, et deux paires de circuits de com- pensation de gain/phase et de circuits d'attaque d'électro-aimants, en ce qui concerne les circuits, par rapport à un palier magnétique classique du type commandé à cinq axes L'invention permet donc de réaliser une pompe plus petite et plus économique avec une meilleure fiabilité, du fait que le nombre d'éléments est réduit environ aux trois-cinquièmes de celui d'une pompe du type classique. Un rotor en forme de cloche 9, comportant des ailettes 9 ', est monté sur l'arbre 3 supporté par un palier magnétique, de manière à cou- vrir l'ensemble de l'arbre 3 et du palier magnétique On fait ensuite tourner le rotor 9 à vitesse élevée au moyen d'un moteur d'entraînement du type à rotor intérieur, placé entre l'électro-aimant de direction radiale 2 et l'électro-aimant axial 7 Les ailettes du rotor tournant 9 et des ailettes fixes 13 font circuler un courant de molécules de gaz d'un orifice d'entrée 11 vers un orifice de sortie 12, pour fonctionner en pompe à vide Du fait que le rotor 9 est conçu de façon à couvrir l'ensemble de l'arbre 3 et du palier magnétique, le courant de molécules de gaz n'est pas interrompu En outre, les électro-aimants et les moteurs qui sont susceptibles de produire des gaz se trouvent d'un cÈté dans lequel le vide est faible, et aucun palier du type lubrifié par hui- le n'est utilisé On peut donc obtenir efficacement un vide de grande qualité, parfaitement exempt d'huile. Pour faire tourner le rotor 9 à vitesse élevée, la pompe est conçue de façon à supporter une force centrifuge agissant sur le rotor 9 en rotation à vitesse élevée, comme il est décrit ci-après Le moteur d'entraînement utilise un système à rotor intérieur, le diamètre exté- rieur du rotor 14 est maintenu aussi faible que possible, le circuit magnétique de l'électro-aimant axial 7 est divisé et le p 8 le magnétique extérieur est placé dans une position plus proche du pôle magnétique intérieur que la périphérie extérieure de la bobine 20 de l'électro- aimant axial, afin de maintenir à une valeur faible le diamètre exté- rieur " disque amateur" 8, et des aimants permanents sont préalable- ment montés à la presse, en introduisant l'aimant permanent du c 8 té rotor, 5, dans un réceptacle d'aimant permanent du c 8 té rotor. On décrira en relation avec la figure 2 la rotation stable que ce système de palier magnétique permet d'obtenir La figure 2 est un schéma montrant une partie de palier de l'invention, en utilisant des ressorts et un élément amortisseur La fonction du palier magnétique radial comprenant le capteur de déplacement en direction radiale 1, l'électro-aimant de direction radiale 2 et les circuits, est exprimée par l'utilisation de deux jeux d'une constante de rappel k 1 et d'une constante d'amortissement d dans la direction radiale La fonction du palier axial comprenant le capteur de déplacement axial 6, l'électro- aimant axial 7, les aimants permanents 4, 5 et le circuit est exprimée par l'utilisation d'un jeu d'une constante de rappel k 3 et d'une constan- te d'amortissement d 3 dans la direction axiale, et d'un jeu d'une cons- tante de rappel k 2 et de deux jeux d'une constante d'amortissement d 2 dans la direction radiale Dans ce cas, du fait que les constantes d 1 et d 3 peuvent être déterminées de façon active par les circuits, il est possible de les fixer à des valeurs élevées D'autre part, du fait qu'aucun amortissement actif n'agit sur d 2 sous l'effet des éléments d'amortissement du moment de redressement dans la direction radiale qui est créé de façon passive par la force d'attraction de l'électro-aimant axial 7 et par la force d'attraction des aimants permanents du c 8 té du stator et du c 8 té du rotor, 4 et 5, la constante d 2 est à peine supérieu- re à zéro lorsqu'on la compare aux constantes d et d 3 (d 2 C"d 1, d 3) Le mouvement de l'arbre 3 peut être décomposé en mouvements dans la direc- tion axiale et dans la direction radiale Du fait que le mouvement dans la direction axiale es, parfaitement commandé de façon active, la des- cription qui suit est restreinte au mouvement dans la direction radiale. Sur la figure 2, le corps tournant est représenté par l'ensemble formé par les éléments tournants de la figure 1 tels que l'arbre 3, le rotor 9, l'aimant permanent du côté du rotor, 5, le"rdisque amateur" 8, le réceptacle 15 de l'aimant permanent du c 8 té du rotor, etc On adopte les désignations suivantes: G est le centre de gravité du corps tournant 16, A et B sont respectivement les points d'action des constantes de rappel k 1 et k 2 y Pl est la distance entre G et A, L 2 est la distance entre G et B, x, y et z, x, y sont des écarts par rapport au point d'équilibre du cen- tre-de gravité G du corps tournant, O, O sont des angles d'inclinaison de l'axe du rotor L'équation du mouvement du corps tournant dans la direction radiale s'exprime alors de la façon suivante: LI ( 4 ki 4)I r 3 (di d 24/ o o -j QI t ki 4 -I i 4 d 24) - 0 1 O UC 4 +k 24) A r _- i 2 j Dans cette expression, (k 1 + k 2)/m et (d 1 + d 2)/m corres- pondent à la constante de rappel et à la constante d'amortissement con- cernant la translation du centre de gravité G, et (k l 2 + k 2 t 2)/Ir et 2 ilg 1 22/z et (d 1 t 1 + d 2 2)/Ir +j Ia U Ir correspondent à la constante de rappel et à la constante d'amortissement concernant le mouvement de rotation autour du centre de gravité En outre, -j(k 1 k 22) /m, -j(d 1 d 2 e 2)/m, j(k 1 k 2 2)/Ir, j(d 1 l d 212)/Ir sont des termes concernant l'interaction entre la translation du centre de gravité et le mouvement de rotation autour du centre de gravité. Du fait que les constantes d'amortissement de la translation du centre de gravité et du mouvement de rotation autour du centre de gravité sont liées à la somme de d 1 et d 2 ou de d 1-2 et d 2 2 t on peut fixer des valeurs satisfaisantes pour ces constantes en fixant di, même si la valeur de d 2 est presque égale à zéro On peut donc également obtenir une rotation stable avec le palier magnétique de l'invention En outre, si la position du centre de gravité G du corps tournant, la constante de rappel k 1 du palier radial dans la direction radiale et la constante de rappel passive k 2 du palier axial dans la direction radiale sont fixées correctement, d'une manière telle que k 11 soit égal à k 2 2, soit en- d'autres termes si le point G divise la distance AB dans le rapport correspondant à k 2 et k 1, les deux points de résonance dans ce système s'approchent le plus près l'un de l'autre, du fait qu'il n'existe aucun terme d'opposition entre la translation et le mouvement de rota- tion, comme cela est évident dans le cas o d et d 2 sont tous deux égaux à zéro dans l'équation ( 1) Par conséquent, du fait que la vibration pro- voquée par l'opposition précitée est éliminée, et que les taux d'amortis- sement concernant deux modes de mouvement prennent des valeurs proches, le passage du point de résonance des deux systèmes peut être effectué plus aisément Un avantage supplémentaire consiste en ce que l'arbre 3 est maintenu à un niveau dans l'état correspondant à k A = k 222 lorsque la pompe turbomoléculaire de la figure 1 est fixée d'une manière telle que la gravité agisse dans la direction latérale de la figure 1. Comme il est bien connu, lorsqu'on fait tourner le corps tour- nant à une vitesse élevée, la rotation est quelquefois instable dans le cas o il existe dans le corps un amortissement de valeur faible, ce qui entraîne une auto-vibration La vitesse de rotation à laquelle l'auto- vibration se produit est liée au rapport entre les moments d'inertie du corps tournant Ia/Ir, et également au rapport bo/ni entre l'amortissement extérieur 7 o et l'amortissement intérieur ji, et la vitesse de rotation à laquelle l'auto-vibration se produit augmente proportionnellement à l'augmentation de ces rapports Dans ce cas, l'amortissement intérieur se rapporte à la consommation d'énergie dans le corps tournant et il est provoqué par la friction entre les éléments et par des courants de Foucault circulant dans l'élément; tandis que l'amortissement extérieur se rapporte à la consommation d'énergie se produisant du côté du stator, ailleurs que dans le corps tournant, sous l'effet du mouvement du corps tournant, et est provoqué par l'activité d'amortissement accomplie par les circuits et par des courants de Foucault circulant du c 8 té du stator. Ainsi, en considérant l'amortissement par les courants de Foucault, l'invention est concue de façon à ne pas produire d'auto-vibration jusqu'à la vitesse de rotation prédéterminée, en augmentant le rapport Io/lji, par l'emploi d'un conducteur électrique non magnétique, comme l'aluminium, pour une pièce de support du côté du stator, 17, destinée à supporter l'aimant permanent du côté du stator, 4, l'électro-aimant axial 7, le moteur d'entraînement 10 et l'électro-aimant de direction radiale 2 et, d'autre part, par l'emploi de matières non magnétiques faiblement conductrices de l'électricité, comme de l'acier inoxydable, pour le réceptacle d'aimant permanent du côté du rotor, supportant l'aimant per- manent du côté du rotor, 5, et d'autres éléments, à l'exception du rotor 14 du moteur, sur l'arbre 3, de la partie tournante 18 de l'électro- aimant de direction radiale, et de la cible 19 du capteur de déplacement en direction radiale Bien qu'on utilise de l'aluminium et de l'acier inoxydable dans l'invention, pour augmenter la vitesse de rotation à laquelle l'auto-vibration se produit, il est préférable de sélectionner les matières non magnétiques ayant la plus forte et la plus faible con- duction électrique, dans une gamme admissible du point de vue de la résistance mécanique En outre, en utilisant des matières non magnétiques pour les parties qui ne concernent pas le moteur de l'arbre 3, l'électro- aimant et le capteur, on peut éviter qu'une force d'attraction due au flux de fuite de l'électro-aimant axial n'affecte l'arbre 3. Sur la figure 3, G désigne le centre de gravité du corps tour- nant, D désigne une position opposée à un électro-aimant ou à un aimant permanent axial, 1 est la distance entre G et D, Q est l'angle formé entre l'axe de rotation passant par G dans l'état équilibré et GD, Kr est une constante de rappel dans la direction radiale passive, et Ku est une constante de rappel instable dans la direction I de l'axe de rotation La constante de rappel de rotation KG pour la rotation autour du centre de gravité G s'exprime alors de la façon suivante 2 2 i 1Ku t 2 O KG = Krú cos Q (i tg 2) ( 2) Par conséquent, pour augmenter KG, la distance t doit être longue et O doit être faible, et il faut également augmenter Kr Dans l'invention, pour diminuer comme indiqué la taille correspondant au dia- mètre extérieur du"disque amateur " 8, on fait en sorte que le pôle magnétique extérieur soit placé aussi près que possible du pôle magnéti- que intérieur, en divisant le circuit magnétique de l'électro-aimant axial 7, afin de pouvoir maintenir à une valeur faible l'angle O à cha- que position de pôle magnétique, tout en permettant l'augmentation de Kg. Outre la description du mode de réalisation ci-dessus, on note- ra que la partie qui a pour fonction de supporter l'activité en direction axiale, ainsi que d'exercer un support passif en direction radiale, avec limitation du mouvement, peut être réalisée de différentes manières Sur la figure 4, on utilise deux électro-aimants axiaux opposés, sur la figu- re 5 un aimant permanent 21 intercalé dans le circuit magnétique de l'électro-aimant axial produit un flux de polarisation, et sur la figure 6, un côté est opposé à l'aimant permanent, comme dans l'invention, tan- dis que l'aimant permanent 21 est intercalé dans l'autre côté du circuit magnétique de l'électro-aimant axial, de façon à produire un flux de polarisation, également avec l'aimant permanent. Conformément à l'invention, en concevant la pompe de la manière décrite dans les revendications, on peut réaliser une pompe turbomolécu- laire ayant les avantages de l'absence d'huiled'unefiabilité élevée, de la miniaturisation, d'une capacité élevée et d'un coût faible, du fait que la structure de palier et les circuits sont simplifiés et qu'on peut obtenir une rotation stable à vitesse plus élevée qu'avec une pompe turbomoléculaire utilisant le palier magnétique classique du type comman- dé à cinq axes. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. Dans ce qui précède on a désigné par "disque amateur" un disque fait avec un matériau magnétique en contact magné- tique avec un électro-aimant. c REVENDICATIONS 1 Pompe turbomoléculaire caractérisée en ce que trois degrés de liberté parmi cinq, à l'exception de la rotation autour de l'axe de rotation d'un arbre ( 3), sont commandés de façon active, avec limitation du mouvement, par une paire de paliers magnétiques radiaux ( 1,2) et une paire de paliers magnétiques axiaux ( 6,7, 4,5), un rotor ( 9) en forme de cloche placé de façon à couvrir l'ensemble du palier magnétique et un arbre qui est supporté par un palier magnétique limitant de façon passive les mouvements correspondant aux deux degrés de liberté restants, et ce rotor ( 9) est mis en rotation à une vitesse élevée par un moteur d'entraînement ( 10) du type à rotor intérieur qui est placé entre un palier radial et un palier axial. 2 Pompe turbomoléculaire selon la revendication 1, caractérisée en ce que la position du centre de gra- vité (G) et une constante de rappel en direction radiale sont déterminées d'une manière telle que la position du centre de gravité (G) de l'ensemble du corps tournant comprenant l'arbre ( 3) et le moteur ( 10) puisse diviser de façon interne la distance entre les points d'action (A,B) de paliers respectifs, de façon inversement propor- tionnelle au rapport entre la constante de rappel (kl) en direction radiale du palier radial, et la constante de rappel (k 2) passive en direction radiale du palier axial. 3 Pompe turbomoléculaire selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'aimant permanent du côté du ro- tor ( 5) du palier axial est monté à la presse dans un réceptacle ( 15) d'aimant permanent du côté du rotor. 4 Pompe turbomoléculaire selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'on utilise un conducteur élec- trique non magnétique, comme l'aluminium, pour la pièce de support du côté dé stator ( 17), qui supporte l'aimant permanent du côté du stator ( 4), l'électro-aimant axial ( 7), le moteur d'entraînement ( 10) et l'électro-aimant radial ( 2), et on utilise au contraire des matières non magnétiques faiblement conductrices, comme de l'acier in- oxydable, pour la partie autre que le réceptable ( 15) d'aimant permanent du côté du rotor ( 5), supportant l'électro-aimant du côté du rotor, le moteur de l'arbre ( 3) du corps tournant, l'électro-aimant ( 18) et un cap- teur ( 19). Pompe turbomoléculaire selon la revendication 1, caractérisée en ce que le pôle magnétique extérieur de l'électro-aimant axial est placé plus près du pôle magnétique intérieur que la périphérie extérieure de la bobine de l'électro-aimant axial, par l'emploi d'une configuration faisant appel à une structure divisée pour le circuit magnétique de l'électro-aimant axial.