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采用螺旋槽推力軸承的電動(dòng)機(jī)作為一種粘性的運(yùn)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(dòng)機(jī)作為一種粘性的運(yùn)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(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)調(diào)查過(guò)的。這兩個(gè)數(shù)值的計(jì)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(gè)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(jiǎn)介
激光掃描馬達(dá)轉(zhuǎn)速近年來(lái)顯著增長(zhǎng)，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(gè)速度增加也導(dǎo)致其他問(wèn)題，比如溫度的顯著上升和電機(jī)功率消耗的顯著增加。因此在掃描器電機(jī)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(zhǎng)時(shí)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(gè)新的方法來(lái)降低多棱鏡的風(fēng)阻功率損耗。他們的方法是使用一個(gè)人字形氣體軸頸軸承作為一個(gè)真空泵來(lái)進(jìn)行抽吸如圖1.當(dāng)電動(dòng)機(jī)開(kāi)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(lái)。據(jù)報(bào)道：在這個(gè)多棱鏡激光掃描儀風(fēng)阻電機(jī)功率損耗是常規(guī)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到30000轉(zhuǎn)時(shí)的功率消耗的一半如圖2。
順便說(shuō)一下，小型化的影印機(jī)和激光打印機(jī)要有一個(gè)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(wèn)題。激光掃描馬達(dá)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(guò)縮短泵的長(zhǎng)度來(lái)防止泵的性能惡化。因此，我們建議用一個(gè)螺旋槽推力軸承的真空泵更容易實(shí)現(xiàn)與真空泵電機(jī)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(lái)。
要確立我們提出的優(yōu)化設(shè)計(jì)軸承，螺旋槽推力軸承的抽水特點(diǎn)也不得不在論上進(jìn)行確定。一些研究人員對(duì)壓縮機(jī)螺旋槽軸承的抽水特點(diǎn)進(jìn)行了研究，詹姆
斯和波特（1967）對(duì)螺旋槽推力軸承用作壓縮機(jī)的性能的數(shù)值進(jìn)行了分析。佐藤等人（1990年）和佐藤和騎士（1992）報(bào)告了人字形和螺旋槽粘性泵的性能，并討論了壓縮機(jī)的最佳槽的幾何形狀，田中村木（1991）開(kāi)發(fā)了一種激光掃描馬達(dá)，該掃描儀的主軸是由一個(gè)螺旋槽徑向軸承產(chǎn)生的壓縮空氣來(lái)支持的。吉本等（2000年）的理論和實(shí)驗(yàn)研究了氣體在粘性真空滑動(dòng)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(diǎn)。
如上所述，我們提出螺旋槽氣動(dòng)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(jī)功率損耗。此外，我們對(duì)抽水和承載特性進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，勇兩種數(shù)值計(jì)算方法對(duì)滑流進(jìn)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(bào)告。第二種方法是川端（1986年）使用邊界擬合坐標(biāo)系統(tǒng)分歧配方（DF）的方法。因此，這項(xiàng)工作的目標(biāo)是要證實(shí)在理論和實(shí)驗(yàn)研究后激光掃描馬達(dá)軸承有用之處。
2、使用螺旋槽氣動(dòng)推力軸承掃描馬達(dá)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(dòng)推力軸承運(yùn)轉(zhuǎn)馬達(dá)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(gè)相同的螺旋槽氣動(dòng)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(gè)小孔以致泵中的空氣可以通過(guò)這個(gè)漏洞來(lái)進(jìn)行抽吸。這個(gè)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(hào)，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(zhǎng)度，lw（其中l(wèi)w= R1- R2）的建立，使這兩個(gè)軸承泵支持轉(zhuǎn)子和鏡子的重量。
3、數(shù)值計(jì)算方法
兩種計(jì)算方法被建議用來(lái)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(biāo)系的測(cè)向方法。此外，Burgdorfer建議（1959年一階滑移流）在計(jì)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(wú)限的，而寬度是微不足道的。由于在圓周方向沒(méi)有壓力梯度，在螺旋槽的質(zhì)量流率在R-方向區(qū)域是