CN1389648A - 真空泵 - Google Patents

Abstract

一种真空泵包括一个带有入口和出口的壳体和一对彼此面对着的泵转子,泵转子设在壳体中并且可以同步旋转,以将气体从入口抽入并从出口排出。用于带动彼此面对着的泵转子旋转的电机是具有定子和电机转子的永磁电机。电机转子具有铁芯和布置在铁芯中的永磁体。

Description

真空泵

技术领域

本发明涉及一种真空泵，特别是优选用于从半导体制造过程所用的真空腔中排出气体的真空泵。

背景技术

迄今为止已知有一种叫做正排量泵的真空泵，其具有一对泵转子，二者彼此同步旋转，以抽取和排出气体。正排量真空泵包括罗茨真空泵、螺杆真空泵和诸如此类，并且广泛用于从半导体制造过程所用的真空腔中排出处理气体。

附图中的图1是一种传统罗茨式正排量真空泵的横断面图，该真空泵包括多级罗茨真空泵，其具有一对容纳在壳体中的泵转子。每个泵转子分别具有三级罗茨转子。如图1所示，一个泵转子51包含布置在壳体52中的转子51a、51b和51c以及一个被轴承53可旋转地支承着的主轴51d。真空泵具有一个形成在壳体52中并且布置在宽度最大的转子51a上方的入口54和一个形成在壳体52中并且布置在宽度最小的转子51c下方的出口55。泵转子51在主轴51d的出口侧端部处连接着电机M。一个同步齿轮56固定在主轴51d的位于入口侧的另一端部上。同步齿轮56用于连接一对彼此面对着的泵齿轮51，图1中示出了其中一个泵转子。

当电机M通电后，上述一对泵转子51被同步齿轮56带动着沿相反方向同步旋转，气体被多级转子51a、51b和51c传输并排出。在多级真空泵运转时，邻近于入口54安置的转子51a不会被加热到高温，而邻近于出口55安置的转子51c则会被气体加热到高温，因为该气体已经被成对转子51a、51b和51c以多级的方式压缩过了。

用于驱动真空泵的电机通常包括感应电机。电机M包含一个电机转子57，该电机转子具有一个由电磁性钢片层合组件构成的铁心58。铁心58上带有槽，用于容纳作为二级导体的转子导条(未示出)。在电机M运转时，由于电机M的定子60将产生旋转电场，因此会有感应电流流过二级导体。这样，旋转电场和感应电流将产生用于使电机转子57旋转的扭矩。另外，流过二级导体的电流将加热电机转子57，从而导致电机M本身的温度较高。

在电机布置在被压缩气体加热了的出口侧而且电机M本身会发热的情况下，电机M趋向于被过度加热到高温，从而极大地降低电机M的效率。因此，在电机布置在出口侧的情况下，需要通过联轴器或类似物将电机M连接在主轴51d上，从而将电机M安置在距离出口55一定距离处。具有这种结构的电机M将导致真空泵承受机械损失，并且不能使真空泵紧凑化。

在另一种传统真空泵中，其电机布置在温度相对较低的入口侧并且具有一个电机转子，该电机转子包含直接固定在泵转子上并且不会产生感应电流的永磁体。然而，如果真空泵吸入了半导体制造过程所用的腐蚀性气体，则电机的永磁体会被腐蚀性气体腐蚀。这样，永磁体会降低磁力并受损，从而可能导致电机故障。如果在电机组装过程中导致某些永磁体受损，则永磁体可能会在电机旋转时断裂和散落，从而导致真空泵停止。此外，在某些原因下，电机会被突然加热到高温，这会导致永磁体的机械性能下降，或者用于将永磁体保持固定就位的粘结剂的粘结强度降低。这样，永磁体会在旋转时从转子上脱落，从而导致电机破坏。

在将电机安置在入口侧的真空泵中，需要布置一个轴承，以将电机支承在入口侧。在将轴承布置在入口侧的情况下，用于润滑轴承的油脂的油分子容易扩散到形成了真空的入口的上游区域中。因此，需要安装轴密封机构，以防止油分子扩散到诸如真空腔等区域中。轴密封机构将导致真空泵的结构难以简化，并且导致真空泵难以紧凑化。这些问题同样也会出现在其他正排量真空泵例如螺杆真空泵中。

发明内容

本发明是考虑到前述情况而研制的。因此，本发明的目的是提供一种能够高度可靠运转的真空泵，其使用了一个电机，电机具有可以使发热量最小化的电机转子，并且具有能够在高温条件下安全操作的能力。

为了达到上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种真空泵，其包括：一个壳体，它具有一个入口和一个出口；一对彼此面对着的泵转子，它们设在壳体中并且可以同步旋转，以将气体从入口抽入并从出口排出；以及一个电机，用于带动彼此面对着的泵转子旋转，电机包括具有定子和电机转子的永磁电机，电机转子具有一个铁心和一个布置在铁心中的永磁体。

根据具有上述结构的本发明，由于永磁体被铁心包围着，因此即使真空泵在高温下运转，永磁体也可以保持其机械强度。即使因高温导致用于将永磁体保持固定就位的粘结剂的粘结强度降低，也可以防止永磁体脱落。

在腐蚀性气体被抽入真空泵中并且进入电机时，由于永磁体嵌在铁心中，因此永磁体与腐蚀性气体接触的表面面积很小。这样，可以防止永磁体被腐蚀，从而可以维持其理想性能。

包含上述永磁体在内的多个永磁体围绕着电机转子的轴布置在铁心中，以使各个永磁体的相应磁极面基本上垂直于电机转子的径向安置，铁心包括一个由电磁性钢片构成的层合组件，所述钢片在从永磁体的磁极面中心径向向外的位置上在铁心的外周表面上焊接起来。

由于穿过焊接部分的磁通量很小，因此在电机运转时因定子产生的磁通的变化而在铁心中感应出的杂散电流可以减小到最低值。这样，铁心产生的热量可以最小化，而且电机效率可以因杂散电流损耗的减小而得到提高。

电磁性钢片具有在从永磁体磁极中心径向向外的位置上形成在外周缘上的相应凹槽。

凹槽在铁心的外周表面中形成了焊接槽。电磁性钢片通过焊接槽中的焊接部分而焊接并彼此结合在一起。由于焊接部分与定子之间的磁隙大于电机转子外周表面与定子之间的磁隙，因此穿过焊接部分的磁通量很小。其结果是，铁心中感应出的杂散电流可以减少，因而铁心的发热量以及杂散电流损耗可以最小化。

电机转子具有一个被保护层覆盖着的外周表面。

保护层可以防止永磁体和电磁性钢片接触到大气湿气和腐蚀性气体，从而防止它们生锈和被腐蚀。

永磁电机布置在出口所在一侧即出口侧。

泵转子包括被轴承可旋转地支承着的相应主轴，用于支承每个主轴的轴承安置在从出口一侧的主轴端部至所述泵转子中的一个转子的区域中，以使转子被轴承以悬臂的方式支承着。

由于泵转子被以悬臂的方式支承着，因此不需要将轴承安置在入口所在一侧(入口侧)。这样，用于润滑轴承等的油脂或类似物的油雾不会扩散到入口上游的区域中。因此，不需要在真空泵中利用复杂的轴密封机构防止油雾扩散。

本发明的上述以及其他目的、特征和优点可以从下面结合附图所作的详细描述中清楚地展现出来，附图中以示例的方式描绘了本发明的优选实施例。

附图说明

图1是一种传统罗茨式正排量多级真空泵的横断面图；

图2是根据本发明第一个实施例的正排量螺杆真空泵的横断面图；

图3是沿着图2中的剖线III-III所作的根据本发明第一个实施例的正排量螺杆真空泵中的电机的横断面图；

图4A是图3所示电机中的电磁性钢片的正视图；

图4B是图3所示电机中的铁心的透视图；

图4C是图3所示电机中的铁心上的焊接部分的放大局部剖视图；

图4D是图3所示电机中的电机转子的分解透视图；

图5是根据本发明第二个实施例的罗茨式正排量螺杆真空泵的横断面图；

图6是沿着图5中的剖线VI-VI所作的剖视图。

具体实施方式

下面参照图2至4A-4D描述根据本发明第一个实施例的正排量螺杆真空泵。

如图2所示，正排量螺杆真空泵具有一对泵转子1，每个泵转子分别包含一个转子1a和一个支承着转子1a的主轴1b。一对彼此面对着的转子1a布置在壳体2中。正排量螺杆真空泵是竖直安装着的，从而使得泵转子的轴线竖直延伸，同步齿轮安置在下部，而入口布置在上部。壳体2具有一个形成在其上壁中的入口3和一个形成在其下壁中的出口4。上述一对泵转子1被轴承5可旋转地支承着，以使转子1a可以在壳体2中旋转，同时有微小的间隙保持在彼此面对着的转子1a之间和每个转子1a与壳体2之间。轴承5不是布置在壳体2的入口3一侧即入口侧，而是布置在主轴1b上的位于出口4一侧即出口侧的端部上，以及布置在主轴1b上的邻近于转子1a的一侧上。具体地讲，用于支承每个主轴1b的所有轴承5均安置在出口侧，其中一个轴承5安置在主轴1b上的邻近于同步齿轮6的端部上，另一个轴承5安置在邻近于转子1a的位置上。通过这种结构，泵转子1的转子1a以悬臂的方式被轴承5支承着。

真空泵包含一个安装在出口侧的电机M，电机M具有一个电机转子11，该电机转子直接固定在一个泵转子1的主轴1b上。同步齿轮6安装在泵转子1的主轴1b的相应端部上，从而在电机M通电后使泵转子1沿相反的方向同步旋转。附图标记31表示一个用于容纳同步齿轮6的齿轮箱。

由于电机M布置在出口4一侧(出口侧)，因此不需要在入口3一侧(入口侧)安置用于支承泵转子1的轴承，这样就不会有油脂或用于润滑轴承的类似物的油分子扩散到位于入口3上游的区域中。

下面参照图3和4A至4D详细描述电机M。

如图3和4A至4D所示，电机M包括一个永磁电机，其中永磁体17布置在一个铁心12中。如图3所示，电机转子11直接固定在主轴1b上。电机M具有一个环绕着电机转子11安置的定子13。定子13具有与定子13形成一体并且围绕着电机转子11的磁极齿14，还具有安装在相应磁极齿14上的线圈15。

铁心12包括一个由多个薄电磁性钢片15组成的层合组件。铁心12具有四个磁体插槽18，磁体插槽中插着相应的永磁体17。如图3所示，附图标记17a和17b表示永磁体17的磁极面，点划线箭头r表示电机转子11的径向，附图标记o表示永磁体17的磁极面17a的中心。磁体插槽18以相等的角间隔围绕着主轴1b布置，以使永磁体17的磁极面17a和17b垂直于电机转子11的径向r安置。板状永磁体17插在相应的磁体插槽18中，以使相邻两个永磁体17的表面侧和后侧以彼此交替的不同磁极方向布置着，而且永磁体是通过粘结剂(未示出)固定就位的。在本实施例中，四个永磁体17设在电机转子11中，永磁体17产生的磁通穿过由磁性材料制成的电磁性钢片16，从而围绕着铁心12形成了四极磁通分布。永磁体17产生的磁通和定子13产生的旋转电场将引起用于使电机转子11旋转的扭矩。

由于电机M具有这样的结构，即永磁体17布置在铁心12中，因此即使因电机转子11被加热到高温而导致永磁体17的机械性能或粘结剂的粘结强度下降，永磁体17也不会在电机转子11旋转时从电机转子11上脱落或在周围散落。这样，真空泵可以安全可靠地运转。

下面详细描述构成电机M的各个元件。

如图4A所示，每个电磁性钢片16分别具有四个形成在其中的孔19，用以构成铁心12的磁体插槽18，还具有四个形成在其外周缘上的凹槽20。电磁性钢片16由磁性材料制成，孔19和凹槽20通过冲裁而同时形成。在将电磁性钢片16层合成铁心12后，凹槽20位于从镶嵌式永磁体17的磁极面中心o(见图3)引出的电机转子径向延伸线上。

如图4B所示，设在电磁性钢片16的外周缘上的凹槽20形成了位于铁心12外周表面中的焊接槽21。焊接槽21位于从镶嵌式永磁体17的磁极面中心引出的电机转子径向延伸线上，如前所述。如图4C所示，层合电磁性钢片16被焊接在一起而在焊接槽21中形成了焊接部分22。

在焊接部分22处，电机M运转时出现的磁通变化非常小。所以，铁心12中感应出的杂散电流非常小，因而电机转子11的发热量非常小。这样，可以提高电机M的效率。尽管在本实施例中是将层合电磁性钢片16焊接在一起，但层合电磁性钢片16也可以包括涂有粘结剂的电磁性钢片，并且可以通过所涂覆的粘结剂而彼此结合在一起。在这种情况下，电磁性钢片16被层合在一起，再被加热而彼此结合起来。或者，也可以在电磁性钢片16层合在一起后加工出轴向贯通铁心的通孔，将铆接销钉插入通孔中，再利用销钉将电磁性钢片16铆接而结合在一起。

如图4D所示，非磁性的不锈钢侧板23连接在铁心12的相应端部上，侧板上带有与电磁性钢片16相同的凹槽。在将永磁体17插入铁心12中后，侧板23通过焊接而固定在铁心12的端部上，从而利用侧板23覆盖住永磁体17。尽管未示出，但电机11的整个外表面上涂覆着一个电沉积环氧树脂层。

由于镶嵌了永磁体17的铁心12上的两端被侧板23保护着，而且电机11的整个外表面上涂有保护层，因此永磁体17和其他元件不会直接暴露在真空泵吸入的气体中，从而可以防止生锈或腐蚀。保护层可以通过普通涂覆方法而非电沉积方法施加。或者，电机11的整个外表面上可以覆盖着电镀层、热缩管或树脂层，以增强耐腐蚀性。

如图2和3所示，一个罐体24布置在电机转子11与定子13之间，从而包围住电机转子11。罐体24将电机M的内部空间分隔为一个定子室和一个电机转子室。罐体24可以防止真空泵吸入的腐蚀性气体进入电机M中，从而防止诸如线圈等定子元件被腐蚀。罐体24由树脂制成，因此可以防止因杂散电流损耗而被加热。

一个电机框架25环绕着定子13布置，一个螺旋式形成的冷却水管26环绕着定子13嵌在电机框架25内。电机框架25由铝制成，冷却水管26包括由熔点高于铝熔点的不锈钢制成的螺旋管。在铸造成型电机框架25时，冷却水管26被放在用于形成电机框架25的浇铸材料中，从而整体式形成电机框架25和冷却水管26。电机框架25紧密装配在定子13上，以使电机框架25的内周表面保持与定子13的外周表面紧密接触。冷却水管26被布置在真空泵外侧的冷却水供应装置(未示出)供应冷却水(未示出)。附图标记30表示一个电机壳，其用于容纳固定在一个主轴1b上的电机M和另一个主轴1b。

形成在罐体24与电机框架25之间的定子室中充有导热材料27。罐体24、定子13和电机框架25通过导热材料27而整体式结合在一起，从而形成一个整体式结构。电机转子11产生的热量依次通过罐体24、导热材料27和电机框架25传输出来，再散射到电机框架25的外面，而电机框架25本身也将被冷却。导热材料27优选为具有高导热率的硅基树脂。罐体24可以省略掉，而诸如树脂等导热材料可以从定子13的内周表面填充到定子框架25的内壁上，以密封住诸如线圈等定子元件，从而使定子与电机转子彼此隔离。

在正排量螺杆泵运转时，由于从入口3吸入的气体被反向同步旋转的转子1a压缩和输送到出口4，因此出口4周围的部分会被加热到高温。在本实施例中，由于电机M具有布置在铁心12中的永磁体17，因此电机M可以安置在被加热到高温的出口4一侧(出口侧)。不需要在入口3一侧(入口侧)装有任何轴承。

在如前所述构造的电机转子11中，只要极小量的热量产生。即使电机转子11出于某种原因而被突然加热到高温，但由于电机框架25带有冷却装置或结构，因此可以防止电机转子11过热，从而使电机M在运转中非常安全。在本实施例中，冷却水循环通过电机框架25中的冷却水管26。或者，可以使冷却空气循环通过冷却水管26。尽管在第一个实施例中描述了一个应用在螺杆真空泵中的例子，但本发明的原理也可以应用在诸如罗茨真空泵、爪式转子真空泵或诸如此类的双轴真空泵中。

下面参照图5和6描述根据本发明第二个实施例的正排量多级真空泵。

如图5所示，根据第二个实施例的正排量多级真空泵具有一对彼此面对着的泵转子31，它们分别包含转子31a、31b和31c以及主轴31d。彼此宽度不同的转子31a、31b和31c以大致相等的距离相隔并且安装在主轴31d上。所述一对彼此对面对着的泵转子31分别被轴承33支承着，而且它们的转子31a、31b和31c容纳在一个壳体32中。真空泵具有一个布置在宽度最大的转子31a上方的入口34和一个布置在宽度最小的转子31c下方的出口35。

在图6中，微小的间隙形成在彼此面对着的转子31b之间和每个转子31b与壳体32之间，以使转子31b以非接触的方式旋转。所述一对彼此对面对着的转子31b沿相反方的同步旋转。限定在转子31b与壳体32之间的空间中的气体被传输到出口35。通过这种方式，气体被连续输送，并且因而从设在入口侧34上游侧并与入口34连通的真空腔中抽出。转子31a和转子31c的构造与图6所示的转子31b类似。

如图5所示，电机M具有一个电机转子41，其在一个主轴31d上的位于入口34一侧(入口侧)的端部上安装在该主轴31d上，同步齿轮36固定在两个主轴31d的相反侧端部上。同步齿轮36用于带动泵转子31沿相反方向同步旋转。泵转子31被轴承33可旋转地支承着，所述轴承安置在邻近于出口35的泵转子端部和邻近于转子31a的另一泵转子端部上，该转子31a安装在入口34附近。连接在主轴31d上的电机转子41以悬臂的方式被轴承33支承着。

在第二个实施例中，电机M不是安置在将被加热到高温的出口35一侧(出口侧)，而是安置在保持相对低温的入口34一侧(入口侧)。此外，电机转子41的结构与根据第一个实施例的电机转子相同，而且其产生的热量非常小。因此，根据第二个实施例的真空泵是热稳性的，并且可以高效运转。

如图5和6所示，一个罐体43环绕着定子42的内周表面布置在电机转子41和定子42之间。电机M布置在将要形成真空的入口34所在一侧。罐体43可以防止定子42中产生的气体流入入口34中，以保持良好的真空状态。罐体43还可以防止引入的腐蚀性气体与定子42的线圈元件48起反应。

电机M包含一个电机框架44，框架中嵌有螺旋冷却水管45。一个用于激励电机M的电机驱动器47保持紧密接触电机框架44的外表面并固定在该外表面上。电机转子41产生的热量依次通过罐体43、导热材料46和电机框架44传输出来，再散射到电机框架44的外面。因此，电机转子41的冷却效率可以进一步提高。由于电机转子41被以悬臂的方式支承着，因此罐体43具有最大的受热面积，并且具有提高了的冷却能力。在真空泵的运转过程中会发热的电机驱动47也被电机框架44冷却。

导热材料46例如树脂材料被充填到电机M的定子室中，因此用作真空容器的罐体43可以被导热材料46加强。这样，即使罐体43出于某种原因而受损，电机M的电机转子腔中也可以保持真空。导热材料46还被用作消减从真空泵内部向外传播的噪音的材料，从而可以降低这种噪音。

尽管在第二个实施例中描述了本发明应用在罗茨真空泵时的例子，但第二个实施例中的原理也可以应用在诸如螺杆真空泵、爪式转子真空泵或诸如此类的双轴真空泵中。

尽管前面详细显示和描述了本发明的优选实施例，但应当理解，在不脱离本发明的范围的前提下，可以做出各种改变和修改。

如前所述，根据本发明，可以获得以下优点：

(1)由于永磁体嵌在铁心中，因此即使因高温导致机械性能下降或者导致用于将永磁体保持固定就位的粘结剂的粘结强度降低，也可以防止永磁体膨胀或从电机转子上脱离和散落。这样，真空泵可以高度可靠地运转。

(2)由于永磁体被铁心保护着，因此可以防止永磁体在真空泵组装时受损。这样，可以防止永磁体在运转过程中断裂。此外，当永磁体在真空泵的操作过程中因某种原因而受损后，也可以防止永磁体从电机转子中散落出来。因此电机可以连续地良好运转，从而使得真空泵可以高度可靠地运转。

(3)即使半导体制造过程所用的腐蚀性气体被真空泵抽出，也可以防止电机转子的永磁体接触腐蚀性气体。这样，可以防止永磁体被腐蚀、磁通量减少和受损。

(4)通过将电机布置在出口所在一侧(出口侧)，由于泵转子被以悬臂的方式支承着，因此不需要将轴承安置在入口侧。这样，用于润滑轴承等的油脂或类似物的油雾不会扩散到入口上游的区域中。特别地讲，不需要在真空泵中利用复杂的轴密封机构防止油雾扩散。因此真空泵可以制作得简单和紧凑。

Claims (7)

1.一种真空泵，其包括：

一个壳体，其具有一个入口和一个出口；

一对彼此面对着的泵转子，它们设在上述壳体中并且可以同步旋转，以将气体从上述入口抽入并将气体从上述出口排出；以及

一个电机，其用于带动上述彼此面对着的泵转子旋转，上述电机包括具有定子和电机转子的永磁电机，上述电机转子具有一个铁心和一个布置在上述铁心中的永磁体。

2.根据权利要求1所述的真空泵，其特征在于，上述电机转子还包括固定在上述铁心的两个轴向端部上的侧板，用以覆盖住上述永磁体。

3.根据权利要求1所述的真空泵，其特征在于，包含上述永磁体在内的多个永磁体围绕着上述电机转子的轴布置在上述铁心中，以使上述各个永磁体的相应磁极面基本上垂直于上述电机转子的径向安置，上述铁心包括一个由电磁性钢片构成的层合组件，所述钢片在从上述永磁体的磁极面中心径向向外的位置处在上述铁心的外周表面上焊接起来。

4.根据权利要求3所述的真空泵，其特征在于，上述电磁性钢片具有在从上述永磁体的磁极中心径向向外的位置处形成在外周缘上的相应凹槽。

5.根据权利要求1所述的真空泵，其特征在于，上述电机转子具有一个被保护层覆盖着的外周表面。

6.根据权利要求1所述的真空泵，其特征在于，上述永磁电机布置在上述出口所在一侧。

7.根据权利要求6所述的真空泵，其特征在于，上述泵转子包括被轴承可旋转地支承着的相应主轴，用于支承每个上述主轴的上述轴承安置在从上述出口一侧的主轴端部至上述泵转子中的一个转子的区域中，以使上述转子被上述轴承以悬臂的方式支承着。

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