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采用螺旋槽推力軸承的電動機作為一種粘性的運作真空泵降低激光掃描儀功率損耗的一種理論
摘要
我們提出了一種采用螺旋槽推力軸承的電動機作為一種粘性的運作真空泵降低激光掃描儀風(fēng)阻的功率損耗。使用螺旋槽推力軸承掃描儀在空氣中抽吸理論的提出，減少了內(nèi)壓力的空間。抽水的表現(xiàn)和螺旋槽推力軸承的靜態(tài)特性是經(jīng)過數(shù)值模擬和實驗調(diào)查過的。這兩個數(shù)值的計算理論被用于研究螺旋槽推力軸承的抽水特性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：一個具有15螺旋溝槽的軸承在2000轉(zhuǎn)和2.5微米的軸承間隙使使空間的壓力減少到了0.01MPa以下，這已經(jīng)足夠作為支持旋轉(zhuǎn)軸的承載能力。
1、簡介
激光掃描馬達轉(zhuǎn)速近年來顯著增長，但是由于旋轉(zhuǎn)速度的增加，激光多能鏡掃描儀引起的功率損耗也急劇增加。這個速度增加也導(dǎo)致其他問題，比如溫度的顯著上升和電機功率消耗的顯著增加。因此在掃描器電機的外殼內(nèi)充滿氦氣是減少風(fēng)阻功率消耗的有效措施。但是這種方法也有不好的地方，要長時間限制空間溫度上升是非常困難的。
吉本和高橋（1999）提出了一個新的方法來降低多棱鏡的風(fēng)阻功率損耗。他們的方法是使用一個人字形氣體軸頸軸承作為一個真空泵來進行抽吸如圖1.當電動機開始旋轉(zhuǎn)，由于真空泵的粘性效果，空間中的氣體被抽吸了出來。據(jù)報道：在這個多棱鏡激光掃描儀風(fēng)阻電機功率損耗是常規(guī)電機轉(zhuǎn)速達到30000轉(zhuǎn)時的功率消耗的一半如圖2。
順便說一下，小型化的影印機和激光打印機要有一個更高的輸出速度這種方式也是需要的。因此這些設(shè)備小型化是目前需要解決的重要問題。激光掃描馬達所示圖一：被用作一人字形溝槽真空泵。因此，這一掃描儀的小型化是通過縮短泵的長度來防止泵的性能惡化。因此，我們建議用一個螺旋槽推力軸承的真空泵更容易實現(xiàn)與真空泵電機的小型化激光掃描儀..，支持掃描儀鏡和轉(zhuǎn)子重量的建議也被提了出來。
要確立我們提出的優(yōu)化設(shè)計軸承，螺旋槽推力軸承的抽水特點也不得不在論上進行確定。一些研究人員對壓縮機螺旋槽軸承的抽水特點進行了研究，詹姆
斯和波特（1967）對螺旋槽推力軸承用作壓縮機的性能的數(shù)值進行了分析。佐藤等人（1990年）和佐藤和騎士（1992）報告了人字形和螺旋槽粘性泵的性能，并討論了壓縮機的最佳槽的幾何形狀，田中村木（1991）開發(fā)了一種激光掃描馬達，該掃描儀的主軸是由一個螺旋槽徑向軸承產(chǎn)生的壓縮空氣來支持的。吉本等（2000年）的理論和實驗研究了氣體在粘性真空滑動軸承中被抽吸的現(xiàn)象。他們指出大于0.01的軸承間隙Knudsen數(shù)影響了粘性真空泵的抽水特點。
如上所述，我們提出螺旋槽氣動推力作為一種粘性真空泵，將使我們能夠降低在激光掃描儀多棱鏡風(fēng)阻電機功率損耗。此外，我們對抽水和承載特性進行了理論和實驗研究，勇兩種數(shù)值計算方法對滑流進行研究，第一種方法采用的是惠普爾（1958年），Vohr及周（1965年）和Malanoski潘（1965）的窄槽理論報告。第二種方法是川端（1986年）使用邊界擬合坐標系統(tǒng)分歧配方（DF）的方法。因此，這項工作的目標是要證實在理論和實驗研究后激光掃描馬達軸承有用之處。
2、使用螺旋槽氣動推力軸承掃描馬達作為一種粘性的真空泵
圖3顯示了激光掃描儀采用螺旋槽氣動推力軸承運轉(zhuǎn)馬達作為一種粘性真空泵的結(jié)構(gòu)，軸的位置是固定的，轉(zhuǎn)子和鏡是旋轉(zhuǎn)的。兩個相同的螺旋槽氣動推力軸承位于轉(zhuǎn)子的上部和下部，在推力軸承的內(nèi)圈，鉆有幾個小孔以致泵中的空氣可以通過這個漏洞來進行抽吸。這個空間可以保持在真空中密封緊密。圖4顯示了螺旋槽推力軸承的幾何構(gòu)型，以及本文所用的符號，許多螺旋槽帶有傾斜角，b形成甚至間隔于軸承圓周方向的表面上。此外，半徑最短長度，lw（其中l(wèi)w= R1- R2）的建立，使這兩個軸承泵支持轉(zhuǎn)子和鏡子的重量。
3、數(shù)值計算方法
兩種計算方法被建議用來獲取推力軸承抽水的特性數(shù)值，第一種方法用的是窄槽理論和第二種方法是用邊界擬合坐標系的測向方法。此外，Burgdorfer建議（1959年一階滑移流）在計算軸承間隙中。
3.1窄槽理論
在由Malanoski和潘（1965）提出的窄槽理論中，假設(shè)螺旋槽數(shù)是無限的，而寬度是微不足道的。由于在圓周方向沒有壓力梯度，在螺旋槽的質(zhì)量流率在R-方向區(qū)域是