研发高速小型分子泵　保障科学仪器研制——中国工程物理研究院何朝晖团队成果

2017-09-20

分子泵是主流的真空获得设备，具有抽气性能高、气氛洁净、连续工作、操作简便、能抽除各种气体等优点。高速小型复合分子泵作为众多分析测试仪器的关键核心部件，技术难度非常大。目前，面向科学仪器等高端应用的小型复合分子泵被德国普发、美国安捷伦、英国爱德华兹等公司垄断，严重阻碍着我国科学仪器的健康生存和发展。针对此现状，在国家重大科学仪器设备开发专项支持下，由中国工程物理研究院机械制造工艺研究所牵头，何朝晖研究员负责，联合东北大学、山东大学、西南科技大学、成都仪器厂、安徽皖仪科技股份有限公司、钢研纳克检测技术有限公司、聚光科技（杭州）股份有限公司和四川九天真空科技股份有限公司等单位开展了“高速小型复合分子泵的开发和应用”（项目编号：2013YQ130429）的研究工作，研制成功了DN63型、DN40型和多口型复合分子泵。

一、研究内容

仪器用小型复合分子泵的转速必须高于6万转/分钟才有抽气功能。高转速带来四个主要问题，一是叶片的应力和变形增大，对结构、材料和制造工艺提出了严苛要求；二是动叶轮高速失稳，需要优化支承刚度和阻尼；三是滚动轴承工况严酷，需要解决润滑、减振和散热等问题；四是高速永磁电机速度波动，需要解决磁路设计、永磁转子和定子制造、高频控制器开发等问题。

针对上述问题，该项目的主要研究内容包括：构建多学科设计优化平台，实现系列化小型分子泵的高效设计，攻克柔性转子稳定性控制、无位置传感器永磁电机控制、弱刚性关键零件制造等核心技术，开发成套装配工艺及测试技术，实现高速小型复合分子泵的工程应用。

（1）设计技术研究及多学科设计优化平台开发。重点解决稀薄气体动力学、转子动力学和结构力学等基础理论的数值求解难题，建立分子泵抽气性能指标与涡轮级和牵引级结构参数间的量化关系。构建多学科设计优化平台，进行信息共享和寻优迭代，得到满足各学科要求的最优设计参数，实现系列化小型分子泵的高效设计。

（2）稳定性控制技术研究及支承组件开发。构建分子泵转子弹性支承动力学分析模型，开发和优化高速转子粘弹性阻尼支承组件、陶瓷球轴承的微油润滑组件和永磁轴承，提升系统高速运转的稳定性和系统使用寿命。

（3）永磁无刷电机的设计开发与控制技术研究。掌握高速永磁电机设计、制作、测试技术，开发电机转子/定子精密制造工艺及专用工艺装置。研制无位置传感器永磁电机的控制器，解决耐温、抗干扰等问题。研究相位检测和换相重试算法，解决加速、稳速问题。

（4）关键零件的高效制造技术研究。针对整体动叶轮悬臂叶片加工中存在的颤振、毛刺多、效率低等问题，开展工艺技术研究，优化高速铣削的刀具、主轴转速、进给量等参数。动叶轮各级叶片相互重叠、空间狭窄，构建非接触叶型检测平台，利用激光扫描测头进行叶型扫描，实现叶片准确、高效的测量。研究碳纤维增强塑料和永磁烧结材料的磨削性能，优化磨削工艺路线和参数，设计专用加工工装以减小装夹变形，并且采用金刚石砂轮进行磨削，掌握磨削加工工艺方法。

（5）装配工艺技术研究及专用装配装置开发。针对薄壁牵引鼓筒高精度大过盈量的装配问题，在仿真分析的基础上，结合工艺试验研究，优化压装力、压装速度等参数，控制压装产生的变形。通过工艺试验研究，优化易碎且相互排斥的磁性零件的装配工艺路线，消除磁性元件排斥力对装配的影响。优化单元与整机装配工艺，研制专用装配与调试装置，实现分子泵的高效、精密装配。

（6）小型复合分子泵测试技术研究及测试平台开发。构建高速小型复合分子泵抽气性能测试平台、环境适应性试验平台、MTBF鉴定试验系统，研究外界振动、进气口压力冲击等对分子泵转子的影响规律，提出并完善抗冲击措施，提高分子泵的性能与可靠性。

二、创新成果

分子泵利用高速旋转的动叶轮和静止的静叶片，将气体分子从稀薄的高真空区域逐级“驱赶”至稠密的低真空区域，最后由前级泵排至大气。可见，分子泵是一种具有抽真空功能的高速设备，既要满足真空性能要求，又要实现高速回转。

（1）分子泵动叶轮多学科设计优化。动叶轮是分子泵最关键的部件，其设计覆盖到稀薄气体动力学、转子动力学、材料学等多个学科，要同时满足抽气性能、转子强度和旋转稳定性等要求。将多学科设计优化技术应用于复合分子泵的设计，开发分子泵多学科设计优化平台，综合协调抽气性能、强度以及高速稳定性等因素，有效提高了设计质量和效率。开发的软件获得软件著作权3项，包括：小型分子泵多学科优化设计平台V1.0（2016SR123307）、涡轮分子泵抽气性能计算软件V1.0（2015SR0-48297）、复合分子泵抽气性能计算软件V1.0（2016SR133206）。

（2）柔性转子高速稳定性控制。建立了永磁轴承-陶瓷球轴承混合支承分析模型，计算了动叶轮组件的模态、临界转速等动态特性，以平稳通过临界转速为优化目标，设计了永磁轴承、陶瓷球轴承粘弹性阻尼器的支承参数。基于永磁烧结材料，分析了内外磁环结构参数与支承性能的关系，研制的永磁轴承满足了支承要求。基于高阻尼耐油硅橡胶，研制了陶瓷球轴承粘弹性阻尼器，分析了阻尼器结构、材料特性与支承参数的关系，解决了阻尼器尺寸和支承性能波动大的难题，满足了粘弹性阻尼器支承参数要求。获得国家发明专利“一种滚动轴承的减振和散热结构”（ZL201310443435.9），获实用新型专利“一种涡轮分子泵的轴承座”（ZL201520096833.2）、“一种测试微小型高速深沟球轴承疲劳寿命的试验机”（ZL201520421167.5）和“一种微小型深沟球轴承疲劳试验机”（ZL201520421961.X）。

（3）无位置传感器永磁电机控制。研制了无位置传感器永磁电机控制器，研究了控制策略和算法，解决了磁极寻向、相位检测、速度控制等难题，启动时间和速度波动满足了分子泵高速运转要求。电机定子线圈准确换相是难点，电机转子位置信号是通过外加的线圈相电压与虚拟中性点相比较得到，检测中易受到干扰。为此，在光电耦合器的输出端接入滤波电路，消除了干扰带来的影响，信号跳变平稳，满足了线圈换相要求。开发的控制器软件包括：基于中性点电压的无传感器无刷电机换相相位实时校正方法、无位置传感器无刷直流电机换向相位实时校正系统。获得了软件著作权3项，包括：多台分子泵运行状态监控软件V1.0（2015SR189493）、分子泵试验数据管理软件V1.0（2015SR202988）、分子泵试验部件管理软件V1.0（2016SR176880）。

三、推广应用

项目开发了DN63型、DN40型和多口型三种型号高速小型复合分子泵，均通过了高低温、高湿热等环境适应性试验，经过鉴定试验验证，MTBF都超过8 000小时。基于项目研制的复合分子泵，开发了高性能氦质谱检漏仪、色谱-质谱联用仪和电感耦合等离子体质谱仪，综合性能满足设计指标。已有24台分子泵在7家仪器企业应用，运行正常，能够满足仪器要求，涉及检漏、环境监测、痕量元素分析、科学分析等多个应用领域。该项目研制的高速小型复合分子泵打破了国外厂商在高端应用领域的垄断，具有广阔的市场前景，对我国科学分析仪器的可持续发展具有积极的推动作用。