一种爪式转子、端面型线绘制方法及真空泵

技术领域

本发明涉及真空泵设备技术领域，具体而言，涉及一种爪式转子、端面型线绘制方法及真空泵。

背景技术

在半导体、光伏及集成电路等领域中，其生产过程通常会产生有毒废气，对于废气的处理通常需要采用密闭容器进行，目前通常采用真空泵进行处理。

然而现有的真空泵由于设计不合理，其转子在运动过程中无法完全啮合，因而影响真空泵的密封性能。

发明内容

本发明提供了一种爪式转子、端面型线绘制方法及真空泵，其能够解决两个转子在转动过程中转子不能严密啮合的问题。

本发明的实施例可以这样实现：

第一方面，本发明提供一种爪式转子，包括端面型线相同且旋向相反的第一转子和第二转子；

所述第一转子的端面型线包括依次首尾连接的齿顶圆圆弧段AB、叶峰圆弧段BC、截圆圆弧段CD、圆弧包络线DE、齿根圆圆弧段EF以及摆线FA；

所述第二转子的端面型线包括依次首尾连接的齿顶圆圆弧段A’B’、叶峰圆弧段B’C’、截圆圆弧段C’D’、圆弧包络线D’E’、齿根圆圆弧段E’F’以及摆线F’A’；

在所述第一转子和所述第二转子转动啮合的过程中，所述齿顶圆圆弧段AB与齿根圆圆弧段E’F’啮合，所述齿顶圆圆弧段AB与所述摆线FA的交点A与所述摆线F’A’啮合，所述叶峰圆弧段BC与所述圆弧包络线D’E’啮合；

所述叶峰圆弧段BC的参数方程为：

b=(Rm^2-A^2)/(2×(Rm-A×cos(π/2z)))；

r=Rm-b；

其中，以所述齿顶圆圆弧段AB、所述截圆圆弧段CD以及所述齿根圆圆弧段EF共同的圆心为所述第一转子的中心，并以所述第一转子的中心为坐标原点建立直角坐标系，b为所述叶峰圆弧段BC的圆心到所述第一转子中心的距离，r为所述叶峰圆弧段BC的半径，Rm为所述齿顶圆圆弧段AB的半径，z为转子叶数，A为两个转子的中心距的一半。

在上述实施例中，通过合理设计依次首尾连接的齿顶圆圆弧段AB、叶峰圆弧段BC、截圆圆弧段CD、圆弧包络线DE、齿根圆圆弧段EF以及摆线FA，并且由于第一转子和第二转子的端面型线相同且旋向相反，因此在两个转子转动过程中使得齿顶圆圆弧段AB与齿根圆圆弧段E’F’啮合，齿顶圆圆弧段AB与摆线FA的交点A与摆线F’A’啮合，叶峰圆弧段BC与圆弧包络线D’E’啮合，从而确保两个转子的端面型线的每一段在转动过程中均能够严密啮合；不仅实现型线的对称性以及第一转子和第二转子的结构一致性，还能提高第一转子和第二转子匹配啮合程度，还能使得两个转子在工作中能够严密啮合，确保密封性能，高效运输被抽的气体，因而显著提高了加工效率及性能，并且降低了加工成本；

通过转子叶数、叶峰圆弧段BC的圆心到第一转子中心的距离、齿顶圆圆弧段AB的半径及两个转子的中心距，以第一转子的中心即齿顶圆圆弧段AB的圆心建立直角坐标系，根据叶峰圆弧段BC的参数方程，即可确立叶峰圆弧段BC的线型。

在可选的实施方式中，所述圆弧包络线DE的参数方程为：

x=2×A×cos(t)-b×cos(2×t)-r×(A×cos(t)+b×cos(2×t))/((A^2+b^2-2×A×b×cos(t))^(1/2))；

y=2×A×sin(t)-b×sin(2×t)+r×(b×sin(2×t)+A×sin(t))/((A^2+b^2+2×A×b×cos(t))^(1/2))；

其中，t为变量。

在上述实施例中，继续依据上述相关参数，并根据圆弧包络线DE的参数方程，连续输入变量t即可确立圆弧包络线DE的线型。

在可选的实施方式中，所述t的取值范围为0≤t≤π/(2×z)。

在上述实施例中，根据t的取值范围，以此确立圆弧包络线DE具体线段。通过将t的取值范围限定在0~π/(2×z)之间，以此形成的圆弧包络线DE及端面型线可避免转子在转动过程中在此处形成尖点现象，因而提升第一转子和第二转子的啮合性和密封性。

在可选的实施方式中，所述摆线FA的参数方程为：

x=Rm×sin(2×t)-2A×sin(t)；

y=2A×cos(t)-Rm×cos(2×t)；

其中，以所述齿顶圆圆弧段AB、所述截圆圆弧段CD以及所述齿根圆圆弧段EF共同的圆心为所述第一转子的中心，以所述第一转子的中心为坐标原点建立直角坐标系，Rm为所述齿顶圆圆弧段AB的半径，A为两个转子的中心距的一半。

在上述实施例中，依据齿顶圆圆弧段AB的半径及第一转子和第二转子的中心的间距，并根据摆线FA的参数方程即可确立摆线FA的线型。

在可选的实施方式中，所述t的取值范围为0≤t≤arccos(2A/(2×Rm))。

在上述实施例中，根据t的取值范围，以此确立摆线FA具体线段。通过将t的取值范围限定在0~arccos(2A/(2×Rm))之间，以此形成的摆线FA及端面型线可避免转子在转动过程中在此处形成尖点现象，因而提升第一转子和第二转子的啮合性和密封性。

在可选的实施方式中，所述齿顶圆圆弧段AB的半径为Rm，所述齿根圆圆弧段EF的半径为Rd，所述截圆圆弧段CD的半径为两个转子的中心距的一半，其中，Rd

在上述实施例中，以Rm和Rd为半径，可分别确立齿顶圆圆弧段AB和齿根圆圆弧段EF的所在圆，再通过其所在圆与叶峰圆弧段BC、圆弧包络线DE及摆线FA的线型即可确立齿顶圆圆弧段AB和齿根圆圆弧段EF。

在可选的实施方式中，Rm+Rd=2A。

在上述实施例中，以第一转子的中心建立直角坐标系，使截圆圆弧段CD的圆心为坐标原点，并以两个转子中心距的一半为半径即可确立截圆圆弧段CD的所在圆，再通过其所在圆与圆弧包络线DE及叶峰圆弧段BC即可确定截圆圆弧段CD。

第二方面，本发明提供一种端面型线绘制方法，用于绘制如前述实施方式任一项所述的爪式转子的端面型线，所述端面型线绘制方法包括：

以Rm为半径绘制齿顶圆，以Rd为半径绘制齿根圆，其中，所述齿顶圆和所述齿根圆的圆心相同，并以所述齿顶圆和所述齿根圆的圆心为坐标原点建立直角坐标系；

依据参数方程依次绘制圆弧包络线、叶峰圆及摆线；

以所述齿顶圆、所述齿根圆、所述圆弧包络线、所述叶峰圆及所述摆线的相交点为裁切点对上述多个线型进行裁切，以形成依次首尾连接的齿顶圆圆弧段AB、叶峰圆弧段BC、截圆圆弧段CD、圆弧包络线DE、齿根圆圆弧段EF以及摆线FA。

在上述实施例中，通过上述步骤绘制出完整的端面型线，整个线型均采用全参数化设计，方便加工，并以此绘制的端面型线所形成的第一转子和第二转子能够自啮合，其面积利用系数高，显著提高了真空泵的工作效率和工作性能。

第三方面，本发明提供一种真空泵，包括如前述实施方式任一项所述的爪式转子。

本发明实施例提供的爪式转子、端面型线绘制方法及真空泵的有益效果包括：第一转子和第二转子的端面型线相同且旋向相反，以实现型线的对称性以及第一转子和第二转子的结构一致性，通过将叶峰圆弧段BC的线型设计为符合公式为b=(Rm^2-A^2)/(2×(Rm-A×cos(π/2z)))、r=Rm-b的线型，使得第一转子和第二转子的型线设计更加合理，能够确保第一转子和第二转子在转动过程中的啮合程度，尤其提高转子对应的叶峰圆弧段BC的啮合程度，从而使得两个转子在工作中能够严密啮合，显著提高了加工效率及性能，并且降低了加工成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的端面型线示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

在半导体、光伏及集成电路等领域中，其生产过程通常会产生有毒废气，对于废气的处理通常需要采用密闭容器进行，目前通常采用真空泵进行处理。然而现有的真空泵由于设计不合理，其转子在运动过程中无法完全啮合，因而影响真空泵的密封性能。基于以上问题，本发明提供了一种真空泵，尤其适用于爪式真空泵，该真空泵包括泵体及设置于泵体内的爪式转子，而爪式转子包括端面型线相同且旋向相反的第一转子和第二转子，通过使得第一转子和第二转子同步高速反向旋转而产生的吸气和排气作用，进而实现气体的运输。其啮合性好，且密封性能好、结构强度高，能够适用于更高转速、压力及温度的使用场景，显著提高了适应性和实用性。

详细地，请参阅图1，第一转子的端面型线包括依次首尾连接的齿顶圆圆弧段AB、叶峰圆弧段BC、截圆圆弧段CD、圆弧包络线DE、齿根圆圆弧段EF以及摆线FA；第二转子的端面型线包括依次首尾连接的齿顶圆圆弧段A’B’、叶峰圆弧段B’C’、截圆圆弧段C’D’、圆弧包络线D’E’、齿根圆圆弧段E’F’以及摆线F’A’。

在本实施例中，在第一转子和第二转子转动啮合的过程中，齿顶圆圆弧段AB与齿根圆圆弧段E’F’啮合，齿顶圆圆弧段AB与摆线FA的交点A与摆线F’A’啮合，叶峰圆弧段BC与圆弧包络线D’E’啮合，齿顶圆圆弧段A’B’与齿根圆圆弧段EF啮合，齿顶圆圆弧段A’B’与摆线F’A’的交点A’与摆线FA啮合，叶峰圆弧段B’C’与圆弧包络线DE啮合，截圆圆弧段CD与截圆圆弧段C’D’啮合，从而实现第一转子和第二转子相互啮合完成对气体的运输。

需要说明的是，第一转子和第二转子的端面型线相同且旋向相反，以实现型线的对称性以及第一转子和第二转子的结构一致性，从而提高第一转子和第二转子匹配啮合程度，使得两个转子在工作中能够严密啮合，显著提高了加工效率及性能，并且降低了加工成本。

进一步地，叶峰圆弧段BC的参数方程为：

b=(Rm^2-A^2)/(2×(Rm-A×cos(π/2z)))；

r=Rm-b；

其中，以齿顶圆圆弧段AB、截圆圆弧段CD以及齿根圆圆弧段EF共同的圆心为第一转子的中心，并以第一转子的中心为坐标原点建立直角坐标系，b为叶峰圆弧段BC的圆心（如图1所示G点）到第一转子中心距的距离（如图1中所示OG的距离），r为叶峰圆弧段BC的半径，Rm为齿顶圆圆弧段AB的半径，z为转子叶数，2A为第一转子和第二转子的中心距，换言之，A为第一转子和第二转子的中心距的一半。

首先需要说明的是，转子叶数z与转子自身的结构相关，在本实施例中，转子叶数z为3；因此，通过转子叶数、叶峰圆弧段BC的圆心到第一转子中心距的距离、齿顶圆圆弧段AB的半径及第一转子和第二转子的中心距，以第一转子的中心即齿顶圆圆弧段AB的圆心建立直角坐标系，根据叶峰圆弧段BC的参数方程，即可确立叶峰圆弧段BC的线型。

进一步地，圆弧包络线DE的参数方程为：

x=2×A×cos(t)-b×cos(2×t)-r×(A×cos(t)+b×cos(2×t))/((A^2+b^2-2×A×b×cos(t))^(1/2))；

y=2×A×sin(t)-b×sin(2×t)+r×(b×sin(2×t)+ A×sin(t))/((A^2+b^2+2×A×b×cos(t))^(1/2))；

其中，t为变量。

在本实施例中，继续依据上述相关参数，并根据圆弧包络线DE的参数方程，连续输入变量t即可确立圆弧包络线DE的线型。

具体地，t的取值范围为0≤t≤π/(2×z)，因此，根据t的取值范围，以此确立圆弧包络线DE具体线段。

由于现有的转子在转动过程中会存在尖点现象，导致转子的啮合性不高，因此发明人通过改变转子的端面型线并进行多次啮合模拟，发现在转子的端面型线中的圆弧包络线DE满足上述参数方程的情况下，可有效改善上述问题，并且通过将t的取值范围限定在0~π/(2×z)之间，以此限定由上述参数方程所形成的圆弧包络线DE及端面型线，可避免转子在转动过程中在此处形成尖点现象，因而提升第一转子和第二转子的啮合性和密封性。

进一步地，摆线FA的参数方程为：

x=Rm×sin(2×t)-2A×sin(t)；

y=2A×cos(t)-Rm×cos(2×t)；

其中，Rm为齿顶圆圆弧段AB的半径，A为第一转子和第二转子的中心距的一半。

在本实施例中，依据齿顶圆圆弧段AB的半径及第一转子和第二转子的螺杆距，并根据摆线FA的参数方程即可确立摆线FA的线型。

同样地，发明人通过模拟实验发现在转子的端面型线中的摆线FA满足上述参数方程的情况下，可有效避免转子在转动啮合中出现尖点现象，并通过限定t的取值范围为0≤t≤arccos(2A/(2×Rm))，以限定出确立摆线FA具体线段。

因此，通过将t的取值范围限定在0~arccos(2A/(2×Rm))之间，以此形成的摆线FA及端面型线可避免转子在转动过程中在此处形成尖点现象，因而提升第一转子和第二转子的啮合性和密封性。

进一步地，齿顶圆圆弧段AB的半径为Rm，齿根圆圆弧段EF的半径为Rd。

在本实施例中，以转子的中心建立直角坐标系，该坐标原点亦为齿顶圆圆弧段AB以及齿根圆圆弧段EF的圆形。因此，以Rm和Rd为半径，可分别确立齿顶圆圆弧段AB和齿根圆圆弧段EF的所在圆，再通过其所在圆与叶峰圆弧段BC、圆弧包络线DE及摆线FA的线型即可确立齿顶圆圆弧段AB和齿根圆圆弧段EF。

进一步地，截圆圆弧段CD的半径为A，其中，Rm+Rd=2A，Rd

在本实施例中，截圆圆弧段CD的半径即为第一转子和第二转子的中心距的一半，因此，以转子的中心建立直角坐标系，使截圆圆弧段CD的圆心为坐标原点，并以转子中心距的一半为半径即可确立截圆圆弧段CD的所在圆，再通过其所在圆与圆弧包络线DE及叶峰圆弧段BC即可确定截圆圆弧段CD。

进一步地，本发明还提供了一种端面型线绘制方法，用于绘制上述实施例转子的端面型线，端面型线绘制方法包括：

步骤S100，以Rm为半径绘制齿顶圆，以Rd为半径绘制齿根圆，其中，齿顶圆和齿根圆的圆心相同，并以齿顶圆和齿根圆的圆心为坐标原点建立直角坐标系；

在本实施例中，首先建立直角坐标系，并以该直角坐标系的坐标原点作为齿顶圆和齿根圆的圆心，并以该圆心为转子的中心，因此以圆心为坐标原点、Rm和Rd为半径分别绘制齿顶圆和齿根圆。

步骤S200，依据参数方程依次绘制圆弧包络线、叶峰圆及摆线；

在本实施例中，依据参数方程绘制出圆弧包络线、叶峰圆及摆线。

步骤S300，以多个线段的相交点为裁切点多上述多个线型进行裁切，以将多余的曲线段裁切，以形成依次首尾连接的齿顶圆圆弧段AB、叶峰圆弧段BC、截圆圆弧段CD、圆弧包络线DE、齿根圆圆弧段EF以及摆线FA，以此完成端面型线的绘制，整个线型均采用全参数化设计，方便加工，并以此绘制的端面型线所形成的第一转子和第二转子能够自啮合，其面积利用系数高，显著提高了真空泵的工作效率和工作性能。

综上所述，本发明实施例提供了一种爪式转子、端面型线绘制方法及真空泵，第一转子和第二转子的端面型线相同且旋向相反，以实现型线的对称性以及第一转子和第二转子的结构一致性，从而提高第一转子和第二转子匹配啮合程度，使得两个转子在工作中能够严密啮合，显著提高了加工效率及性能，并且降低了加工成本。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。