能够磁悬浮的转子和具有这种转子的旋转机器的制作方法

本发明涉及用于具有磁悬浮转子的旋转机器的转子，该转子能够磁悬浮，并且本发明涉及根据相应类别的独立权利要求的前序部分的旋转机器。

背景技术：

1、具有磁悬浮转子的旋转机器，例如离心泵或者混合装置或者搅拌装置，被用于许多技术领域，尤其用于其中高纯流体被运输、搅拌或混合的应用，而所述流体不被来自机械轴承的磨损颗粒污染。在半导体产业中，例如，磁悬浮转子被用于运输超纯水以及酸性、氧化性或其它化学侵蚀性流体，因为它们被用于半导体产业来生产或加工半导体结构。至关重要的是，没有金属离子从磁悬浮转子进入液体中，因为这样的金属离子会改变半导体的掺杂。

2、关于具有磁悬浮转子的旋转机器(尤其是离心泵)的设计，装置是已知的，其中转子借助于单独的磁性轴承以无接触的方式悬浮，同时通过单独的驱动器单元来驱动转子旋转。在这种情况下，每个磁性轴承通常包括轴承定子，其与转子的磁性有效芯部(magnetically effective core)相互作用来使得转子磁悬浮。驱动器单元包括驱动器定子，根据电磁旋转驱动器的原理，通过所述驱动器定子，转子被设定成旋转。

3、然而，具有无接触磁悬浮转子的旋转机器的这种设计也是已知的，其中不提供单独的磁性轴承，而是使用同一定子实现轴承功能和驱动功能。已经针对这样的设计建立了术语"无轴承马达"，因为针对转子没有提供单独的磁性轴承。轴承功能和驱动功能不能彼此分离。这些特别有效的无轴承马达的特征具体在于它们的非常紧凑的设计以及同时实现"无接触"构思。

4、因此，无轴承马达是电磁旋转驱动器，其中转子相对于定子完全磁悬浮，其中没有提供单独的磁性轴承。为此目的，定子被设计为轴承定子和驱动器定子，其既是电驱动器的定子并且也是磁性轴承的定子。能够使用轴承定子和驱动器定子的电绕组来生成旋转磁场，该旋转磁场一方面在转子上施加转矩从而导致其旋转，并且另一方面其在转子上施加可自由调整的横向力以致其径向位置能够被主动控制或调制。

5、旋转机器的转子通常是集成转子，尤其当被设计成泵、混合器或搅拌器时，该集成转子既是电磁驱动器的转子并且也是泵或混合器的转子，这会影响流体。

6、针对转子的磁性有效芯部的设计也已知许多不同构思。例如，磁性有效芯部能够仅由一个或更多个永磁体构成，以致转子的整个磁性有效芯部由永磁性材料制成。不过，这样的设计也是已知的，其中磁性有效芯部包括与软磁性部分组合的一个或更多个永磁体。通常软磁性部分由铁或者镍-铁或硅-铁制成。

7、不管旋转机器(例如离心泵)是被设计成具有单独的磁性轴承还是根据无轴承马达的构思被设计，特别重要的是，要运输酸性或化学侵蚀性物质，以便保护转子的磁性有效芯部且尤其也保护永磁体来抵抗这样的侵蚀性物质。通常用于永磁体的材料(例如钕、钐或钴)例如通常对于这样的侵蚀性物质具有非常低的抵抗性。

8、在半导体生产中必须被使用和运输的酸性或其它化学侵蚀性物质例如是臭氧水(o3，溶解在h2o中)、硫酸(h2so4)、磷酸(h3po4)、盐酸(hcl)、氢氟酸(hf)、硝酸(hno3)、臭氧(o3)或者混合物，例如硫酸(h2so4)和过氧化氢(h2o2)的混合物或者硫酸(h2so4)和硝酸(hno3)的混合物。更糟的是，这些侵蚀性物质通常必须被提供为处于升高的温度，例如在150℃至200℃或者甚至更高。

9、为了保护以抵抗这样的侵蚀性物质，已知的是向转子的磁性有效芯部且尤其向一个或更多个永磁体提供氟化烃塑料护套(sheathing)，因为这些烃对于化学侵蚀性物质(特别是对于以上提及的酸)显示出很好的抵抗性。

10、不过，氟化烃通常不会针对化学物质的气体成分形成足够的屏障。因此，由氟化烃制成的封装件仅对臭氧(o3)具有非常有限的屏障效果，该臭氧可以被容纳在例如被大量运输的硫酸和臭氧(带有o3的h2so4)的混合物中。此外，研究已经表明，即使使用这样的氟化烃护套，在相对短的操作次数之后，特别是在转子的永磁体上，也会发生侵蚀。这能够导致转子的膨胀、金属涂层的劣化、转子芯部或护套的部分的剥离以致转子的磁性有效芯部的完全损坏。

11、因此在ep-a-2 549 113中，已经提出了提供一种具有双护套的转子的永磁体，即具有完全封罩永磁体的内金属护套并具有完全封罩金属护套的氟化烃外护套。

12、这个构想在于，外塑料护套保护永磁体或磁性有效芯部以抵抗正常的液体酸，而内金属护套保护磁性有效芯部以抵抗能够相对好地渗入塑料护套的气体成分。

13、虽然这种双护套的构思已经在实践中进行了自我验证，不过其仍然需要改进。一方面，在ep-a-2 549 113中提出的转子的永磁体的厚壁金属护套是相对难以实现的，因为护套的各个部分的焊接必须是气密的，但是另一方面，在焊接期间的能量输入必须保持足够低以致永磁性材料的结构不会改变。这个问题由于如下事实而是复杂的，即金属护套必须相对靠近永磁体，因为在没有大的力损失的情况下在磁悬浮期间不能够增加磁性空气间隙。为此，焊接护套所需的热会直接耗散到转子的永磁体中。此外，臭氧、氢或者酸蒸汽能够扩散通过塑料并损坏金属护套。一旦转子的金属护套已经被损坏，则金属离子能够扩散通过塑料护套进入到待运输的流体中并污染流体。在半导体产业中的应用中，在流体中的所述金属离子会具有极端负面的后果，因为例如即使非常低浓度的被溶解的金属离子也会以不受控的方式改变待处理的半导体结构的掺杂，并且在最坏的情况下会导致半导体产品不可用。

14、因此，已经做出了很大努力来更好地保护转子的磁性有效芯部以抵抗酸性或其它化学侵蚀性物质并且同时避免焊接永磁体的金属护套所产生的上述问题。为此目的，各种各样的金属层被通电施加到永磁体并且测试它们的耐蚀性。但是即使例如通过使用被看作极其惰性的金或铑而通电施加的金属护套，也令人惊讶地没有产生非常满意的结果。例如，在100-200小时的相对短的使用寿命之后，在转子上能够发生大量侵蚀。

15、会建议的是，尤其具有非常小分子的物质，例如盐酸(hcl)或氢氟酸(hf)或臭氧(o3)，经由金属层中的晶格缺陷或微结构缺陷(例如气孔(blowhole)或毛细裂纹)扩散通过护套并且之后损坏转子的永磁体或磁性有效芯部，以致转子从内部被侵蚀。

技术实现思路

1、本发明致力于这个问题。

2、从该现有技术出发，因此本发明的目标是提出一种用于旋转机器的能够磁悬浮的转子，在该转子中，磁性有效芯部且尤其转子的永磁体被特别好地保护以抵抗氧化和酸性物质或者其它化学侵蚀性物质。此外，本发明旨在提出具有这种转子的旋转机器。

3、满足这个问题的本发明的目标由相应类别的独立权利要求的特征所表征。

4、根据本发明，提出用于具有磁悬浮转子的旋转机器的能够磁悬浮的转子，该转子具有磁性有效芯部和由热塑性可加工含氟聚合物制成的护套，该护套完全封罩磁性有效芯部，其中所述磁性有效芯部包括至少一个永磁体，并且其中每个永磁体具有用于保护以抵抗酸性或化学侵蚀性物质的金属涂层，并且其中塑料涂层被设置在金属涂层和护套之间，该塑料涂层由属于聚对二甲苯类的聚合物构成。

5、优选地，金属涂层直接粘附到永磁体。

6、非常复杂且广泛的研究已经表明，准确地，永磁体的被直接粘附到永磁体的金属涂层与含氟聚合物的外护套的该组合和被置于其间的聚对二甲苯涂层确保了特别良好且长期地保护转子的磁性有效芯部以抵抗酸、酸性流体和其它化学侵蚀性物质，诸如例如臭氧或者氢。转子的磁性有效芯部通过这种特殊组合被保护以既抵抗例如液体酸的侵蚀性液体成分并且又抵抗气体成分。尤其，也阻止了或至少显著减少了具有非常小的分子的物质(例如氢(h2)、臭氧(o3)、氢氟酸(hf)或者盐酸(hcl))向转子的磁性有效芯部或者向永磁体的扩散。相比于外护套的含氟聚合物，聚对二甲苯的聚合物链明显更长，从而它们形成与含氟聚合物相比好更多的扩散屏障。

7、派瑞林也被用作通过化学蒸汽沉积产生的聚对二甲苯(poly-p-xylylene)聚合物类的商标名称。起始材料是对二甲苯(二甲苯也被称为二甲苯(xylene)或者二甲苯(dimethylbenzene))或者其卤化衍生物。根据哪些取代基被附接到苯环，区别不同的聚对二甲苯。在基本产物聚对二甲苯(也被称为派瑞林n)中，苯环仅具有芳香烃氢原子，即苯环上的四个自由基中的每个均是氢原子。此外，其它的商业上可获得的产物尤其是派瑞林c、派瑞林d和派瑞林ht。在派瑞林c中，芳香烃氢原子中的一个被氯原子取代，在派瑞林d中芳香烃氢原子中的两个各自由一个氯原子取代，并且派瑞林ht是卤化衍生物，其中二聚体的α氢原子各自均被氟原子取代。

8、转子的磁性有效芯部的一个或多个永磁体优选地由钕-铁-硼(ndfeb)或者钐-钴(smco)合金制成。

9、已经证明有利的是，如果直接粘附到转子的金属涂层包括由镍、金或铑制成的至少一层。

10、如果金属涂层包括彼此上下设置的多个涂层，尤其至少三个，且其中最内层被直接设置在永磁体的表面上且优选地由镍构成，则能够实现特别良好的保护。镍是特别优选的，因为镍很好地粘附到ndfeb基合金以及smco基合金。镍也优选地作为最外金属层，因为聚对二甲苯也很好地粘附到镍，尤其比粘附到诸如金或铑的贵金属更好。

11、在优选实施例中，金属涂层恰好包括彼此上下设置的三层，其中最内层和最外层各自均由镍构成并且其中中部的中间层优选地由铜或金或铑构成。

12、在多层金属涂层中，最内层被首先施加到永磁体的表面。随后，施加中间层，其能够被用于例如填充在最内涂层中的气孔、毛细裂纹或者其它微结构缺陷。然后，中间层为最外层形成特别平坦且平滑的基部。优选地，金属涂层借助于电流技术(电镀)或者借助于无电流金属沉积(没有外部电流的化学沉积)被沉积在永磁体的表面上。

13、在金属涂层包括三层的情况下，下列层组合是特别优选的，其中顺序指示为从内部-即从永磁体的表面-到外部：镍(ni)、铜(cu)、镍(ni)；或者镍、金、镍；或者镍、铑(rh)、镍。在金属层涂层仅由一层构成的情况下，其优选地是镍、金或者铑。

14、金属涂层的总厚度优选的是30至100微米且特别优选的是50至60微米。

15、关于护套，优选的是如果护套由全氟烷氧基聚合物(perfluoroalkoxy polymer，pfa)或者乙烯三氟氯乙烯(ethylene chlorotrifluoroethylene，ectfe)或者聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride，pvdf)构成。除了其对于酸的抵抗性之外，这些热塑性可加工含氟聚合物还具有特别的优点，即其能够被注射模制且例如借助于红外焊接被焊接。这对于转子的生产是有利的。

16、含氟聚合物的护套优选地包括被焊接在一起的至少两部分，其中为此目的优选的是红外焊接。为了保护由聚对二甲苯制成的塑料涂层以免过量热输入(特别是在焊接过程期间)，有利措施是如果在塑料涂层和护套之间提供热防护膜，优选地聚酰亚胺膜。为此目的，例如在商标名称kapton下可获得的材料是合适的。

17、根据优选实施例，塑料涂层由氟化聚对二甲苯构成，优选地由脂肪类氟化聚对二甲苯构成。尤其，氟化聚对二甲苯的两种变型如今是商业上可获得的，即被指定为派瑞林af4的脂肪类氟化变型和被指定为派瑞林vt4的芳香类氟化变型。脂肪类氟化聚对二甲苯是在苯环之间的脂肪类碳键中的两个氢原子被两个氟原子取代的变型。为此目的，二聚体的α氢原子被氟原子取代以产生聚对二甲苯。在芳香类氟化变型中，芳香烃氢原子各自均被氟原子取代，即在苯环上的四个自由基中的每个是氟原子。

18、氟化聚对二甲苯且尤其脂肪类氟化聚对二甲苯具有如下优势，即其具有高的热稳定性，即其非常耐高温，且其能够至少在短时间内暴露于高达450°的温度而没有劣化征兆。当然，当使用氟化聚对二甲苯时也能够在聚对二甲苯的塑料涂层和护套之间提供聚酰亚胺热防护膜。

19、优选地，金属涂层完全封罩磁性有效芯部，即整个磁性有效芯部被完全封罩在金属涂层中。根据第一实施例，转子的磁性有效芯部仅由一个永磁体构成，例如由永磁环构成。在这种情况下，永磁体的每个表面完全地设置有金属涂层，以致整个永磁体完全涂覆有金属涂层，即完全被金属涂层封罩或封装。

20、还优选的是如果塑料护套完全封罩磁性有效芯部。通常，由聚对二甲苯制成的塑料涂层通过蒸汽沉积作为聚合物层被生成在待涂覆的基底上。因此，例如，转子的磁性有效芯部或者永磁体能够首先设置有金属涂层且之后在该金属涂层上沉积聚对二甲苯塑料涂层。

21、优选实施例是金属涂层被直接设置在每个永磁体上且每个永磁体被直接设置在其上的金属涂层完全封罩。

22、此外，优选的是，塑料涂层被直接设置在金属涂层上且每个金属涂层被直接设置在其上的塑料涂层完全封罩。

23、如已经提到的，在第一实施例中磁性有效芯部由永磁体构成，其中永磁体优选地被设计成一件且尤其优选的是环的形式。

24、根据优选实施例，护套具有接收磁性有效芯部的杯状壳体部分和被焊接到壳体部分的盖，其中杯状壳体部分优选地被设计成使得在磁性有效芯部和壳体部分之间存在空气间隙。如果磁性有效芯部设置有金属涂层并设置有塑料涂层，则该空气间隙具有在径向方向上在壳体部分的壁和被涂覆的磁性有效芯部之间的例如大约0.1mm的宽度。空气间隙也被设置在轴向方向上，即在杯状壳体部分的底部处或者在盖处，其在轴向方向上具有大约0.5-1mm的宽度。

25、此外，根据本发明提出了一种用于影响流体的旋转机器，尤其是离心泵或者混合装置，其具有能够磁悬浮的转子且具有定子，借助于该定子所述转子在操作状态中能够以磁性无接触的方式被驱动成绕轴向方向旋转，其中转子是磁悬浮的并且根据本发明来设计。

26、旋转机器优选地被设计成无轴承马达，其中定子被设计成轴承定子和驱动器定子，通过其所述转子能够在操作状态中以磁性无接触的方式被驱动并且能够相对于定子至少径向地以磁性无接触的方式悬浮。

27、由从属权利要求得出本发明的另外的有利措施和实施例。