УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ В ГЕРМЕТИЧНЫЙ ОБЪЁМ (варианты)
DEVICE FOR TRANSMISSION OF ROTATIONAL MOVEMENT INTO SEALED SHELL (EMBODIMENTS)

Область техники
Изобретение относится к вакуумной технике и может быть использовано для поворота деталей через герметичную оболочку, например заслонки светового или молекулярного пучка в устройствах для напыления тонких пленок, для смены подложек при напылении путем поворота кассеты и пр.
Изобретение может также использоваться для передачи вращательного движения в объем с заданным составом газовой атмосферы с вредными или радиоактивными веществами.
Изобретение направлено преимущественно на совершенствование устройств, для модуляции и прерывания корпускулярных и электромагнитных пучков в вакууме, для подачи или смены образцов в вакууме или внутри герметизированного объема с газовой средой.
Уровень техники
В настоящее время из уровня техники известен ввод вращения в вакуум, основанный на деформации сильфона, один торец которого приварен к фланцу, а другой совершает круговые движения, передавая эти круговые движения через герметично приваренный к сильфону поводок, находящийся в вакууме (Розбери Ф., Справочник по вакуумной технике и технологии, М.: Энергия, 1972, с. 292, рис. 97.)
Этот ввод вращения требует или отдельного фланца или достаточно много дефицитного места на общем фланце крепления узла, находящегося в вакууме, куда требуется передавать вращение. Кроме того, постоянно деформируемый тонкостенный сильфон всегда является слабым местом вакуумной установки: он достаточно часто выходит из строя из-за нарушения герметичности самого сильфона и сварных швов.
Из уровня техники известно устройство (Рот А., Вакуумные уплотнения, пер. с англ., М.: Энергия, 1971, с. 327, рис. 5-53(б)). Это - магнитное устройство для ввода вращения в вакуум, содержащее магнитный ротор, имеющий два полюса и находящийся в вакууме внутри герметичного корпуса, выполненного из немагнитного материала, и наружный магнит, находящийся снаружи корпуса. Это устройство имеет лучшую герметизацию и надежность работы, поскольку не содержит разборных уплотнений и сильфонов, однако оно занимает практически весь объем внутри цилиндрического герметичного патрубка. Это обусловлено тем, что в этом известном устройстве ось вращения магнитного ротора совпадает с осью цилиндрического герметичного патрубка, а полюса сердечника движутся по окружности так, чтобы зазор между полюсами магнитного сердечника и внутренней поверхностью цилиндрического герметичного патрубка был по всей окружности постоянным и минимальным для увеличения крутящего момента. Из-за этого внутри цилиндрического герметичного патрубка, там, где находится магнитный сердечник с полюсами, уже невозможно размещение никаких других узлов (ионных или электронных пушек, испарителей, подложек, манипуляторов и пр.). Через участок вакуумной системы, где находится вращающийся магнитный сердечник с полюсами, затруднено даже прохождение электрических проводников. Это обстоятельство сильно снижает функциональные возможности аппаратуры, которая использует такой ввод вращения в вакуум, поскольку другие нужные устройства (ячейки Кнудсена, электронные и ионные пушки и пр.) приходится размещать на отдельных фланцах, что усложняет конструкцию вакуумной камеры или даже делает такое их использование невозможным.
Из уровня техники известен патент Российской Федерации RU №2529892 на изобретение «Герметизированное передаточное устройство для гелиевого пространства высокотемпературного реактора с газовым охлаждением и его приводное устройство», опубл. 10.10.2014, выбранный за прототип.
Устройство-прототип содержит герметичный объем (например, заполненное гелием пространство или сверхвысокий вакуум), ограниченный корпусом камеры из немагнитного материала (обычно это труба из немагнитной нержавеющей стали аустенитного класса), ведущий компонент магнитный механической передачи с постоянными магнитами снаружи трубы и ведомый компонент магнитной механической передачи в виде ротора с постоянными магнитами внутри камеры. Это устройство использует для работы малые магнитные зазоры между постоянными магнитами снаружи камеры и ротором с постоянными магнитами внутри, необходимые для передачи движения магнитным полем по всей окружности ротора, и поэтому по необходимости ротор занимает все сечение трубы. Это крайне неудобно во многих практических случаях, когда, например, по этому же корпусу камеры в форме трубы должен идти корпускулярный пучок, пучок электромагнитного излучения или нужно разместить устройство для напыления тонких пленок. Кроме того, иногда требуется использовать для корпуса трубу не круглого, а прямоугольного сечения, в которой такое устройство работать не может, поскольку невозможно обеспечить малый зазор по всей окружности ротора. Постоянные магниты внутри герметизируемого объема тоже часто весьма нежелательны, поскольку влияют на движение заряженных частиц и могут быть несовместимы с такими устройствами, как электронные пушки, квадрупольные масс-спектрометры, высоковакуумные датчики давления и пр.
Раскрытие изобретения
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является увеличение функциональных возможностей устройства, увеличение надежности и упрощение обслуживания и ремонта.
Технический результат заявленного изобретения заключается в том, что ведущий магнитный компонент и его привод выведены за границы герметичного корпуса.
Технический результат достигается тем, что устройство передачи вращательного движения в герметичный объем содержит герметичный корпус из немагнитного материала, ведущий магнитный компонент, установленный с возможностью перемещения и расположенный с внешней стороны герметичного корпуса, и ведомый магнитный компонент, соединенный с исполнительным элементом, установленные внутри герметичного корпуса, при этом ведомый магнитный компонент выполнен в форме цилиндра со спиралью из магнитного материала и расположен с минимальным зазором с внутренней поверхностью трубы корпуса так, что ось ведомого магнитного компонента параллельна оси корпуса, а ведущий магнитный компонент, выполненный в виде, по меньшей мере, одного постоянного магнита, расположен вплотную к внешней поверхности герметичного корпуса так, что ось движения ведущего магнитного компонента параллельна оси герметичного корпуса. В случае использования нескольких постоянных магнитов последние установлены на расстоянии один от другого, равном шагу спирали или кратном ему, таким образом, что каждый постоянный магнит находится напротив соответствующего витка спирали, при этом дальние от корпуса полюса магнитов соединены с пластиной из магнитно-мягкого материала.
Также для достижения указанного результата предложено устройство передачи вращательного движения в герметичный объем, содержащее герметичный корпус из немагнитного материала, ведущий магнитный компонент, установленный с внешней стороны герметичного корпуса, и ведомый магнитный компонент, соединенный с исполнительным элементом, установленные внутри герметичного корпуса, при этом ведомый магнитный компонент выполнен в форме цилиндра со спиралью из магнитного материала и расположен с минимальным зазором с внутренней поверхностью трубы корпуса так, что ось ведомого магнитного компонента параллельна оси корпуса, ведущий магнитный компонент состоит, по крайней мере, из трех электромагнитов, соединенных через коммутатор с источником напряжения и расположенных вплотную к внешней поверхности герметичного корпуса так, что когда оба полюса одного электромагнита расположены напротив двух витков магнитной спирали, полюса любого другого электромагнита смещены относительно витков магнитной спирали.
Вышеуказанная совокупность существенных признаков приводит к тому, что расширяются функциональные возможности устройства, а именно: стало возможно через герметичный корпус в виде трубы провести различные механические узлы и детали, например ось манипулятора образцов, ячейку для испарения материалов в вакууме, квадрупольный масс-спектрометр и пр. Кроме того, можно использовать не только герметичный корпус в форме цилиндрической трубы, но и трубы прямоугольного сечения.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлен простейший вариант предлагаемого устройства для ввода вращения в герметичный объем, где цифрами обозначены:
1 - ведущий магнитный компонент в виде постоянного магнита;
2 - ведомый магнитный компонент в виде цилиндра с магнитной спиралью;
3 - герметичный корпус;
4 - ось ротора;
5 - вал ротора;
6 - исполнительный элемент;
10 – подшипники.
На фиг. 2 и фиг 3. (вид с торца) показан вариант ротора, у которого вал 5 имеет вид цилиндра с многозаходными спиральными прорезями, где цифрами обозначены:
2 - ведомый магнитный компонент в виде цилиндра с магнитной спиралью;
4 - ось ротора;
5 - вал ротора;
7 - спиральные прорези.
На фиг. 4 показан вид заявленного устройства с многозаходной магнитной спиралью на валу 5 ротора и системой из нескольких постоянных магнитов 1, где цифрами обозначены:
1 - ведущий магнитный компонент в виде постоянного магнита;
2 - ведомый магнитный компонент в виде цилиндра с магнитной спиралью;
3 - герметичный корпус;
4 - ось ротора;
8 - пластина из магнитно-мягкого материала.
На фиг. 5 показан вариант заявленного устройства с магнитной системой, выполненной в виде неподвижных электромагнитов, переключаемых коммутатором, где цифрами обозначены:
9 - ведущий магнитный компонент в виде электромагнитов;
10 - подшипники;
11 - коммутатор;
12 - источник электрического питания.
На фиг. 6 показаны графики тока через электромагниты, обозначенные на фиг. 5 соответственно буквами «а», «б» и «в».
Осуществление и примеры реализации изобретения
В устройстве, показанном на фиг. 1, ведущий магнитный компонент представлен в виде постоянного магнита 1, который установлен снаружи герметичного корпуса 3, выполненного в виде цилиндрической или прямоугольной трубы из немагнитного материала. Магнит расположен вплотную к стенке герметичного корпуса 3 и выполнен подвижным так, что его можно двигать параллельно оси трубы. Внутри герметичного корпуса 3 установлен ротор, на котором жестко (сварка, клей, болтовые соединения) закреплен ведомый магнитный компонент, представленный в виде магнитной спирали 2 из магнитно-мягкого магнитного материала. Ротор с ведомым магнитным компонентом 2 расположен с минимальным зазором к ведущему магнитному компоненту 1, то есть расположен со смещением к той поверхности герметичного корпуса 3, непосредственно за которой находится ведущий магнитный компонент 1, при этом диаметр и объем герметичного корпуса 3 могут быть различными. Ротор состоит из вала 5 ротора и оси 4 ротора, которые жестко соединены между собой. Вал 5 ротора жестко закреплен на оси ротора 4 и имеет возможность вращения в подшипниках 10. Ось 4 ротора расположена параллельно образующей цилиндрической трубы корпуса 3 или параллельно ближайшей плоскости, если труба прямоугольная. На оси 4 ротора жестко закреплен (например, сваркой или винтами) исполнительный элемент 6. В качестве исполнительного элемента 6 может быть заслонка молекулярного или электронного пучка, карусель подложек для напыления пленок и пр. Постоянный магнит 1 приводится в движение вдоль прямой линии вручную или при помощи электропривода (на чертежах не показан).
Устройство работает следующим образом. Постоянный магнит 1 приводится в движение рукой или электроприводом (не показан на чертежах), движется по прямой линии вплотную к стенке корпуса 3 и доходит до участка магнитной спирали 2, который наиболее близко расположен к стенке трубы. Под действием поля постоянного магнита 1 ближайший участок магнитной спирали 2 притягивается к постоянному магниту 1 и поворачивает всю магнитную спираль 2 вместе с валом 5 ротора и его осью 4, то есть, весь ротор повернется как целое так, чтобы магнитный зазор между постоянным магнитом 1 и магнитной спиралью 2 стал минимальным. При дальнейшем движении постоянного магнита 1 по прямой магнитный зазор увеличится, но ближайший участок магнитной спирали 2 тут же притянется к постоянному магниту 1 и повернется так, чтобы магнитный зазор между магнитной спиралью 2 и постоянным магнитом 1 снова стал минимальным. Таким образом, магнитный зазор при любом положении постоянного магнита 1 вдоль пути его движения будет иметь одно и то же минимальное значение, так что вращающий момент вала 5 ротора при движении постоянного магнита 1 изменяться не будет. Таким образом, движение постоянного магнита 1 вдоль прямой будет вызывать поворот оси 4 ротора. Например, если постоянный магнит 1 будет двигаться в направлении стрелки влево, как показано на фиг. 1, то ротор при этом будет вращаться так, что ближайшая к нам на фиг. 1 поверхность вала 5 ротора будет двигаться вверх, и если смотреть на ось 4 ротора слева, то она будет вращаться против часовой стрелки. В свою очередь, ось 4 ротора будет поворачивать исполнительный элемент 6, например заслонку молекулярного пучка, кассету с подложками для напыления на них тонких пленок, поворачивать кассету с образцами и т.д. Если постоянный магнит 1 двигать в обратном направлении, то ротор 5, ось 4 ротора и исполнительный элемент 6 тоже будут поворачиваться в обратном направлении. Сечение самой магнитной спирали 2, жестко закрепленной на поверхности ротора 5, предпочтительно сделать прямоугольным, чтобы по возможности уменьшить магнитный зазор между постоянным магнитом 1 и магнитной спиралью 2 и, соответственно, магнитное сопротивление магнитной цепи и тем самым увеличить вращающий момент. Если толщина магнитной спирали 2 вдоль радиуса вала будет больше зазора между магнитной спиралью и постоянным магнитом, то вал тоже может быть выполнен из магнитного материала, поскольку магнитная цепь в основном будет по-прежнему замыкаться через магнитную спираль. Если магнитная цепь будет замыкаться через соседние с магнитной спиралью участки вала, то это, очевидно, уменьшит вращающий момент. Разумеется, если не требуется поворот на 360° или более (например, если требуется только поворачивать на заданный угол заслонку, перекрывающую или открывающую путь для молекулярного пучка, и возвращать ее в прежнее положение, то магнитная спираль 2 может иметь менее одного витка вокруг вала 5 ротора.
На фиг. 2 и на фиг. 3 (вид с торца) показан другой вариант ротора, у которого вал 5 имеет вид цилиндра с многозаходными спиральными прорезями 7 (аналогично шпильке с многозаходной резьбой или косозубой шестерне). Ось 4 ротора жестко соединена с валом 5, который здесь выполнен уже целиком из магнитно-мягкого материала. Спиральные прорези 7 имеют форму цилиндрических спиралей аналогично тому, как это сделано в цилиндрической косозубой шестерне или ходовом вале с многозаходной резьбой. Магнитные спирали 2 в этом варианте устройства представляют собой неотъемлемые части ротора, но магнитные спирали 2 могут быть и отдельными деталями, наваренными на цилиндр или прикрепленными к нему иным способом, как на фиг. 1. Сечение спиральных прорезей 7 может иметь форму трапеции (фиг. 2 и фиг. 3) или другие формы. Например, ротор может иметь вал с прямоугольными спиральными прорезями и многозаходными магнитными спиралями.
Выбор шага и радиальной глубины магнитных спиралей диктуется условием, чтобы к магниту 1 притягивался только один виток магнитной спирали 2, а соседние витки к магниту не притягивались. Для этого достаточно, чтобы магнитный зазор между ведущим магнитом и соседними витками ведомой магнитной спирали 2 был больше минимального магнитного зазора (между магнитом и ближайшим к нему витком спирали) не менее, чем в 2-2,5 раза. Поскольку характерная толщина стенки труб, используемых в вакуумной технике, обычно не меньше 1,5 мм, а минимальный зазор между внутренней стенкой трубы 3 и наружной поверхностью магнитной спирали 2 делать менее 0,3…0,5 мм делать сложно, то характерный магнитный зазор будет не менее 2 мм, и тогда расстояние между витками многозаходной магнитной спирали должно быть примерно 4 мм. Глубина спиральных прорезей 7 (в радиальном направлении) тоже выбирается из тех соображений, чтобы дно прорези практически не притягивалось бы к магниту, то есть глубина прорези должна быть не меньше величины минимального магнитного зазора между магнитом и ближайшим к нему витком магнитной спирали 2.
Если магнитная спираль 2 имеет два витка или более и/или выполнена многозаходной, то для увеличения момента вращения можно расположить вдоль прямой два и более жестко связанных один с другим постоянных магнита 1 на расстоянии один от другого, равном шагу магнитной спирали 2.
На фиг. 4 показан вид заявленного устройства с многозаходной магнитной спиралью на валу 5 ротора и системой из нескольких постоянных магнитов 1. На нем имеется несколько постоянных магнитов 1, ротор с осью 4 и с магнитными спиралями 2, герметичный корпус 3 в виде круглой или прямоугольной трубы из немагнитного материала. Постоянные магниты 1 установлены вплотную к трубе 3 параллельно ее оси и на расстоянии один от другого, равном или кратном осевому расстоянию между ближайшими витками магнитной спирали вдоль оси 4 ротора. Таким образом, каждый постоянный магнит 1 находится напротив соответствующего витка магнитной спирали 2. Постоянные магниты 1 имеют возможность движения параллельно оси герметичного корпуса 3, выполненного виде трубы, но расстояние между постоянными магнитами 1 фиксировано, так что магнитная система снаружи герметичного корпуса 3, состоящая из постоянных магнитов 1 и магнитной пластины 8, движется как целое. Магнитная пластина 8 не только выполняет функцию детали, на которой крепятся магниты, но и замыкает магнитный поток магнитов 1, увеличивая их силу притяжения и, соответственно, вращательный момент, передаваемый на ротор и ось 4. Ротор расположен внутри корпуса 3 с минимальным зазором с его внутренней поверхностью, а ось 4 ротора параллельна оси корпуса 3 в форме трубы. Ось 4 ротора закреплена в подшипниках 10, неподвижно закрепленных внутри корпуса 3. При движении постоянных магнитов 1 как единого узла параллельно оси трубы 3 влево по фиг. 4 в направлении стрелки ротор будет стремиться уменьшить магнитный зазор и повернется против часовой стрелки так, чтобы витки магнитной спирали 2 снова располагались напротив соответствующих постоянных магнитов 1. Таким образом, ротор будет вращаться до тех пор, пока постоянные магниты 1 не дойдут по прямой до упора или до конца ротора. При этом повернется ось 4, на которой ротор жестко закреплен, а ось повернет внутри герметичного корпуса жестко закрепленную на ней заслонку 6 или другой механизм, например устройство смены подложек для напыления. Система магнитов 1, закрепленных на магнитной пластине 8, может прислоняться к корпусу и двигаться вдоль прямой просто вручную, возможно, с использованием направляющего стержня, «ласточкиного хвоста» или другого направляющего приспособления.
Таким образом, поворот ротора такого устройства при однократном движении магнитов может производиться только на конечный угол. Однако этого можно избежать, если вместо постоянных магнитов взять систему электромагнитов (см. фиг. 5). На ней схематически изображен вариант устройства для передачи вращательного движения в герметичный объем, в котором ведущий магнитный компонент из постоянных магнитов заменен на ведущий магнитный компонент, выполненный из неподвижных электромагнитов 9, обмотки которых запитаны от коммутатора 11. Электромагниты 9 расположены снаружи и параллельно оси герметичного корпуса 3 снаружи, вдоль линии, где зазор между магнитной спиралью и корпусом минимален. Герметичный корпус на фиг 5 не показан. Ротор жестко закреплен на оси 4, а ось имеет возможность вращения в подшипниках 10. Подшипники 10 закреплены внутри корпуса 3. Расстояние между двумя полюсами каждого электромагнита 9 равно шагу спирали или кратно ему.
Электромагниты 9 (в данном случае их показано три) расположены один относительно другого так, что, когда два полюса первого (а) электромагнита расположены точно напротив двух витков магнитной спирали, полюса второго (б) электромагнита сдвинуты относительно витков магнитной спирали на часть (в данном случае на 1/3) шага спирали, а полюса третьего (в) электромагнита сдвинуты еще на ту же часть (про трех электромагнитах - на 1/3) шага спирали относительно второго и в ту же сторону. Коммутатор 11, подсоединенный к источнику 12 электрического питания 12, включает электромагниты по очереди. Когда включен электромагнит (а), напротив обоих полюсов которого точно расположены два витка магнитной спирали, магнитный зазор минимален и ротор никуда не крутится. Далее коммутатор включает электромагнит (б) и выключает (а). Те витки спирали, которые отстоят от электромагнита на большее расстояние, будут притягиваться слабее, чем ближайшие витки. Смещенные на 1/3 зазора ближайшие к полюсам витки спирали притянутся к полюсам электромагнита (б) и ротор повернется так, чтобы витки спирали стали точно напротив полюсов работающего электромагнита (б). Тогда коммутатор выключит электромагнит (б) и включит электромагнит (в), который точно так же повернет ротор в ту же сторону так, чтобы витки спирали стали точно напротив полюсов электромагнита (в). Потом цикл повторяется. Диаграммы импульсов тока, поступающие в электромагниты от коммутатора 11, схематически показаны на фиг. 6.
Количество электромагнитов может быть и более трех. В этом общем случае электромагниты устанавливают снаружи вдоль прямой так, что, когда оба полюса первого электромагнита расположены точно напротив двух витков магнитной спирали, полюса k-го электромагнита сдвинуты относительно витков магнитной спирали на расстояние S, равное
(k-l)/n)L, где
k - номер электромагнита по порядку, начиная с первого крайнего,
k=1…n,
n - полное число электромагнитов,
L - шаг магнитной спирали.
Электромагниты в этом случае точно так же работают по очереди. После того как коммутатор подает ток в магнит под номером k, ближайший виток магнитной спирали притянется к нему и магнитная спираль повернется так, что виток спирали окажется напротив k-го электромагнита, коммутатор выключит ток через обмотку k-го электромагнита и включит ток через обмотку (k+1) электромагнита и так далее, пока коммутатор не подаст ток в последний магнит с номером n. После подачи тока в последний, n-й, электромагнит коммутатор отключает его и подает ток в первый электромагнит и цикл повторяется.
Импульсы, поступающие в электромагниты, могут частично перекрываться по времени для увеличения плавности хода ротора.
Основное отличие заявляемого устройства от аналогов и прототипа заключается в том, что в предлагаемом устройстве магнитные зазоры, через которые осуществляется привод, расположены не по окружности цилиндрической трубы, как в прототипе, а по прямой линии. В случае цилиндрической трубы - вдоль образующей цилиндра, а в прямоугольной трубе - вдоль любой прямой в плоскости любой грани. Увеличение вращающего момента в предлагаемом устройстве осуществляется за счет увеличения количества магнитных зазоров вдоль образующей цилиндрической трубы, а не вдоль окружности цилиндра трубы, как в прототипе, и поэтому для размещения ввода вращения используется только часть сечения трубы, а не все сечение. Точно так же в качестве герметичного корпуса 3 можно применить и немагнитную трубу прямоугольного сечения.
Таким образом, заявленное изобретение решает следующие основные проблемы, а именно:
- расширение функциональных возможностей устройства, которое выражается в том, что по сравнению с прототипом стало возможно через герметичный корпус в виде трубы провести различные механические узлы и детали, например ось манипулятора образцов, ячейку для испарения материалов в вакууме, квадрупольный масс-спектрометр и пр.;
- можно использовать не только герметичный корпус в форме цилиндрической трубы, но и трубы прямоугольного сечения;
- за счет вывода из герметичного корпуса приводных механизмов и ведущего магнитного компонента упрощается проведение диагностики и ремонт установки.