JPH0640953Y2

JPH0640953Y2 - ターボ分子ポンプ

Info

Publication number: JPH0640953Y2
Application number: JP12634888U
Authority: JP
Inventors: 茂樹森井; 淳中村; 仁山田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1988-09-29
Filing date: 1988-09-29
Publication date: 1994-10-26
Anticipated expiration: 2003-09-29
Also published as: JPH0250090U

Description

【考案の詳細な説明】（産業上の利用分野）本考案は，ターボ分子ポンプに関するものである。

（従来の技術）回転体を浮上保持する手段として電磁石を使用した磁気
軸受がある。この磁気軸受は，流体潤滑軸受よりもロス
が少なく，軸受のドライ化，雰囲気のクリーン化が可能
で，特に真空状態では，有用な軸受である。

この磁気軸受の有力な応用対象機器にターボ分子ポンプ
がある。このターボ分子ポンプの従来例を第６図により
説明すると，（５）が回転体で，同回転体（５）が円板
（９）と同円板（９）の中心部に一端部を固定した軸体
（８）と同円板（９）の周縁部に固定して同軸体（８）
を取り囲み且つ外周面に複数の排ガス用翼体（10）を取
付けた外筒（７）とにより構成されている。また（14）
が上記軸体（８）と上記外筒（７）との間の空間部に嵌
挿した回転体（５）の支持円筒体，（12）が同支持円筒
体（14）の内周面に取付けた回転体駆動用モータ，（6
A）（6B）が上記支持円筒体（14）の内周面に取付けた
２組のジヤーナル磁気軸受，（11）が上記軸体（８）の
反円板側端部に固定したスラスト磁気軸受の磁性体デイ
スク，（13）が同磁性体デイスク（11）を挟んで上記支
持円筒体（14）の内周面に取付けた１組のスラスト磁気
軸受で,2組のジヤーナル磁気軸受（6A）（6B）と１組の
スラスト磁気軸受（13）とにより回転体（５）を浮上保
持している。

この磁気軸受では，浮上体（回転体（５））の浮上位置
を次の浮上位置設定手段，即ち，浮上体の浮上位置を計
測し，その結果得られた計測信号に基づき磁気軸受の電
磁石に流す電流値を決めて，電磁石に発生する磁力の大
きさを制御する浮上位置設定手段により，設定してい
る。この浮上位置設定手段の一例を第７図に示した。
（１）が浮上体の浮上位置を計測する位置センサ（例え
ば渦電流変位計），（２）が同位置センサ（１）からの
計測信号の大きさを必要な大きさに比例倍するための位
置フイードバツクゲイン，（３）が同位置フイードバツ
クゲイン（２）からの信号に基づき磁気軸受の電磁石
（４）に流す電流値を決めて電磁石（４）へ出力する制
御器で，同電磁石（４）には，コイルが巻かれており，
制御器（３）からの電流に応じて浮上用磁力を発生する
ようになっている。上記制御器（３）には,PID（比例，
積分，微分）回路，位相補償回路，或いはこれらの回路
を組み合わせた回路等が使用されている。が，制御器
（３）が比例要素（Ｐ要素）だけで構成された最も簡単
な位置フイードバツク系の場合には，電磁石（４）への
入力Ｉと電磁石（４）からの出力である磁力Ｆとの伝達
関数は，コイル，鉄心等の抵抗やインダクタンスによ
り，以下の一次遅れ系になる。

F/I=K_M/(I+T_M・S)・ここで，K_Mは電磁石（４）のゲイン，T_Mは電磁石（４）
の時定数,Sはラプラス演算子である。従って位置フイー
ドバツク系の計測変位Ｄから回転体（５）への磁力Ｆに
至る伝達関数は，次の通りになる。

F/D=K_F・K_P・K_M/(I+T_M・S) ・・・・・ここで，K_Fは位置フイードバツクゲイン2,K_Pは制御器
（３）の比例ゲインである。

位置フイードバツク系の（磁力F/変位Ｄ）の周波数特性
見るため，ラプラス演算子Ｓ＝j2πｆとおき，上記式
に代入する。ここで,fは周波数（H₂），である。（磁力F/変位Ｄ）は，複素数となり，次のよう
におく。

F/D=K_M(f)+j・K_I(f)・同式における（磁力F/変位Ｄ）の実部は周波数ｆに依
存した剛性を意味し，（磁力F/変位Ｄ）の虚部は周波数
ｆに依存した減衰を意味している。上記式のような１
次遅れは，虚部が常に負となり，浮上体に対して減衰と
は反対の不安定力になる。

第８図は，（磁力F/変位Ｄ），即ち，上記式の虚部の
値と周波数ｆとの関係を示している。同第８図の点線Ａ
が上記式に対応して，上述の状態を示している。浮上
体と位置フイードバツク系とからなる固有振動数f_Cがも
つ減衰，特に浮上体の減衰によりも第８図の周波数ｆ＝
f_Cの所の値が大きいと，浮上体が発散的に振動して，運
転できなくなる。

そこで，位置フイードバツク系の（磁力F/変位Ｄ）に減
衰効果を持たすために，制御器（３）に比例要素（Ｐ要
素）と並列に微分要素（Ｄ要素）または位相補償要素を
設ける。ここではこれらを代表して微分要素を例にと
る。微分要素（Ｄ要素）を制御器（３）に回路として挿
入すると，次の１次遅れ系になる。

微分要素＝K_D・S/(I+T_D・S) ・ここで，K_Dは微分要素のゲイン，T_Dは時定数である。微
分要素だけの位置フイードバツク系の（磁力F/変位Ｄ）
は，次のようになる。

同式の分子はＳの１次で，分母はＳの２次になるた
め，同式の虚部は第８図の一点鎖線Ｂのようになる。
即ち，周波数の低い領域では，不安定作用をもつ。浮上
体の位置を保持するため，制御器（３）には，比例要素
と微分要素との併存が必要になる。このような制御器
（３）の位置フイードバツク系の（磁力F/変位Ｄ）は，になり，第８図の実線Ｃになって，上述と同じ特性をも
つ。浮上体と位置フイードバツク系とからなる固有振動
数f_Cを減衰効果を有する周波数の低い領域に置くと，安
定性を確保できて，振動を発生することなく運転でき
る。

このような特性を有する磁気軸受を第６図に示す２重構
造の回転体（５）に適用して，同２重構造の回転体
（５）を浮上支持する場合には，次の現象を呈する。２
重構造の回転体（５）は，第９図（ａ）（ｂ）（ｃ）
（ｄ）（ｅ）〜に示すように無限個の固有振動数を有す
る。回転体（５）を構成する材料等の減衰は，回転数以
下の固有振動数に対しては不安定に働き，回転数以上の
固有振動数に対しては減衰を行うように働く。従って磁
気軸受の位置フイードバツク系の（磁力F/変位Ｄ）の減
衰効果を有する周波数領域に，回転数以下の固有振動数
をもってくる必要がある。しかし回転体（５）の固有振
動数は，第第９図（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）〜に
示すように無限にあるため，必ず（磁力F/変位Ｄ）の不
安定作用を有する周波数領域に固有振動数がある。従っ
て回転体（５）自体による固有振動数が有する減衰より
も，磁気軸受の位置フイードバツク系の不案内作用が大
きくなると，不安定になり，振動が発散的に大きくなっ
て，回転させることがてきなくなる。

特に回転体（５）の最高回転数よりも高い第３次固有振
動数を有する減衰能は小さく，磁気軸受の位置フイード
バツク系の不安定作用により発散的に振動し易い。その
対策として，第３次固有振動数まで磁気軸受により減衰
作用領域を伸ばしても，それ以下の周波数領域では，よ
り大きい不安定化作用を行って，第４次固有振動数が次
に発散的な振動を起こすことになる。

（考案が解決しようとする課題）上述したように従来の磁気軸受では，浮上物の位置を計
測し，そのとき得られた計測信号をフイードバツクし，
電磁石（４）からの磁力を浮上物に作用させて，浮上物
の位置を保持するようにしているが，電磁石（４）から
の磁力は，浮上物を振動させる不安定化力になる。そし
て制御器（３）でPID,位相補償等の処理を行っても，低
周波数領域では，依然として大きな不安定化力になる。
特に２重構造の回転体（５）のような無限個の固有振動
数を有する浮上物では，不安定力化力になる領域に固有
振動数が必ずあり，浮上物が磁気軸受により発散的に振
動することになる。その対策として,2重構造の回転体
（５）にとって最も減衰の少ない軸体（８）の曲げ１次
固有振動数（３次）まで磁気軸受による減衰領域を伸ば
すことが行われている。しかし曲げ２次固有振動数（４
次）に対しては，より一層不安定化力が増大して，曲げ
２次振動数が発散的な振動に変わるという問題があっ
た。

本考案は前記の問題点に鑑み提案するものであり，その
目的とする処は，位相補償範囲外の回転体曲げ２次固有
振動数についても位相反転を生じさせて，その周波数領
域を安定化力（減衰力）に変換でき，発散的な振動を防
止できて，回転体を安定的に浮上支持できるターボ分子
ポンプを提供しようとする点にある。

（課題を解決するための手段）上記の目的を達成するために，本考案は，円板と同円板
の中心部に一端部を固定した軸体と同円板の周縁部に固
定して同軸体を取り囲み且つ外周面に複数の排ガス用翼
体を取付けた外筒とよりなる回転体と，上記軸体と上記
外筒との間の空間部に嵌挿した回転体の支持円筒体と，
同支持円筒体の内周面に取付けた回転体駆動用モータ
と，上記支持円筒体と上記軸体との間に介装した２組の
ジヤーナル磁気軸受及び１組のスラスト磁気軸受とを有
するターボ分子ポンプにおいて，前記各ジヤーナル磁気
軸受を軸方向に間隔を置いて前記支持円筒体と前記軸体
との間に介装し，前記スラスト磁気軸受を前記支持円筒
体と前記軸体の反円板側端部との間に介装し，同スラス
ト磁気軸受の磁性体デイスクの中心部を反円板側に延長
し，同延長部の半径方向位置を計測する位置センサを前
記各ジヤーナル磁気軸受のうち，反円板側のジヤーナル
磁気軸受の制御系に接続している。

（作用）本考案のターボ分子ポンプは前記のように構成されてお
り，支持円筒体と軸体との間に介装した２組のジヤーナ
ル磁気軸受と１組のスラスト磁気軸受とにより，回転体
の１次固有振動数,2次固有振動数，及び曲げ１次固有振
動数を含む周波数に対して位相補償（安定化作用）が行
われるが，回転体のフリーフリー２次固有振動数の振動
モードを考慮して，スラスト磁気軸受の磁性体デイスク
の中心部を反円板側に延長し，同延長部の周りに同延長
部の半径方向位置を計測する位置センサを配置して，同
位置センサを反円板側のジヤーナル磁気軸受の制御系に
接続しており，位相補償範囲外の回転体曲げ２次固有振
動数についても位相反転が生じて，その周波数領域が安
定化力（減衰力）に変換され，発散的な振動が防止され
て，回転体が安定的に浮上支持される。

（実施例）次に本考案のターボ分子ポンプを第１図乃至第４図に示
す一実施例により説明すると，第１図の（５）が回転体
で，同回転体（５）が円板（９）と同円板（９）の中心
部に一端部を固定した軸体（８）と同円板（９）の周縁
部に固定して同軸体（８）を取り囲み且つ外周面に複数
の排ガス用翼体（10）を取付けた外筒（７）とにより構
成されている。また（14）が上記軸体（８）と上記外筒
（７）との間の空間部に嵌挿した回転体（５）の支持円
筒体，（12）が同支持円筒体（14）の内周面に取付けた
回転体駆動用モータ，（6A）（6B）が上記支持円筒体
（14）の内周面に取付けた２組のジヤーナル磁気軸受，
（11）が上記軸体（８）の反円板側端部に固定したスラ
スト磁気軸受の磁性体デイスクで，同磁性体デイスク
（11）の中心部が軸方向に延長されている。また（13）
が同磁性体デイスク（11）を挟んで上記支持円筒体（1
4）の内周面に取付けた１組のスラスト磁気軸受で,2組
のジヤーナル磁気軸受（6A）（6B）と１組のスラスト磁
気軸受（13）とにより回転体（５）を浮上保持してい
る。

第２図は，上記回転体（５）と２組のジヤーナル磁気軸
受（6A）（6B）との配置関係を，回転体（５）の軸受部
をフリーにしたときの２次固有振動数（以下，フリーフ
リー２次固有振動数と呼ぶ）の振動モードF_Oに対応して
示している。同第２図に示すように２組のジヤーナル磁
気軸受（6A）（6B）は，回転体（５）の重心Ｇの左右
（第１図では上下）に分けて配置されている。このう
ち，左側（反円板側）のジヤーナル磁気軸受（6A）は，
位置センサ（1L）と位置フイードバツクゲイン（2L）と
制御器（3L）と電磁石（4L）とを有し，右側（円板側）
のジヤーナル磁気軸受（6B）は，位置センサ（1R）と位
置フイードバツクゲイン（2R）と制御器（3R）と電磁石
（4R）とを有している。そしてジヤーナル磁気軸受（6
A）の位置センサ（1L）と電磁石（4L）とは，回転体
（５）のフリーフリー２次固有振動数の振動モードF_Oの
ノード点Ｐを挟んで上下に振り分け配置されている。上
記振動モードF_Oは，回転体（５）が２重構造であり，軸
体（８）が片持梁に似ており，フリーフリー２次固有振
動数では，軸体（８）の先端部（軸体（８）の反円板側
端部）の近くに設けた磁性体デイスク（11）位置でノー
ド点Ｐを１つもつ振動モードである。一方，磁性体デイ
スク（11）は，重量が大きく且つ軸体（８）の反円板側
に設けられているので，曲げ２次に対して動き難い所，
つまりノード点になる。また位置センサ（1L）は，電磁
石（4L）とで磁性体デイスク（11）を挟むように（振動
モードF_Oのノード点Ｐを挟むように）配置されて，同磁
性体デイスク（11）の半径方向位置を計測するようにな
っている。

第３図は，回転体（５）の第１次，第２次，第３次，第
４次の固有振動数の振動モードF1,F2,F3,F4とジヤーナ
ル磁気軸受（6A）（6B）との関係を示している。同第３
図に示すように磁気軸受（６）の剛性に比べて回転体
（５）の剛性が高いので，第４次固有振動数の振動モー
ドの形は，第２図に示したフリーフリー第２次固有振動
数の振動モードの形と同じ形をしている。第３図から判
るようにジヤーナル磁気軸受（6A）の位置センサ（1L）
と電磁石（4L）及びジヤーナル磁気軸受（6B）の位置セ
ンサ（1R）と電磁石（4R）とは，第１次，第２次，第３
次固有振動数について同じ方向に揺れる振動モード内に
位置している。ところが第４次固有振動数については，
第４次固有振動数の振動モードF4がフリーフリー第２次
固有振動数の振動モードF_Oと同じ波形をしているので，
ジヤーナル磁気軸受（6A）の位置センサ（1L）と電磁石
（4L）とが逆方向に揺れる振動モード内に位置し，ジヤ
ーナル磁気軸受（6B）の位置センサ（1R）と電磁石（4
R）とが共に揺れない振動モード内に位置している。な
お制御器（3L）（3R）は，第８図の実線Ｃのように低周
波領域で減衰を与える機能を有している。かくして回転
体（５）の第１次，第２次，第３次固有振動数は，減衰
を与える周波数領域に置かれ，回転体（５）の第４次固
有振動数は，不安定化力を与える周波数領域に置かれ
る。

ところでジヤーナル磁気軸受（6A）の（磁力F/変位Ｄ）
を前記式により表すと，回転体（５）の第１次，第２
次，第３次固有振動数については，磁気軸受特性が変わ
らなくて，式のままであるが，回転体（５）の第４次
固有振動数については，式とは逆転し， F/D=-K_R(fc₄)-j・K_I(fc₄) になって，不安定化力が減衰力に変わる。なおfc₄は第
４次固有振動数である。従って回転体（５）に対する特
性は，第４図の実線D_Cに示すように第１次，第２次，第
３次，第４次固有振動数に対して減衰をもつものにな
る。またジヤーナル磁気軸受（6B）については，第４次
固有振動数に対し振動モードが全く振れない所に配置さ
れるので，第４次固有振動数に不安定化力も何も与えな
い。

かくして本実施例によれば，第１次，第２次，第３次固
有振動数のみに減衰を与える制御器（3L）（3R）を使用
しているにもかかわらず，第４次固有振動数において最
も不安定化力として働く領域を減衰力（安定化力）を得
られる領域に変更できる。従って回転体（５）の中高周
波ハンデイング問題が減少する上に，曲げ２次危険速度
（第４次固有振動数に対応した曲げ２次危険速度）まで
運転可能になる。なお第５次固有振動数以上の固有振動
数については，不安定化力が小さい周波数領域になるの
で，殆ど問題がない。

第５図は，スラスト磁気軸受（13）の磁性体デイスク
（11）の重量を軽減するため，磁性体デイスク（11）を
環状体と円筒体とにより構成した本考案のターボ分子ポ
ンプの他の実施例で，この実施例でも前記と同様の作用
が達成される。

（考案の効果）本考案のターボ分子ポンプは前記のように支持円筒体と
軸体との間に介装した２組のジヤーナル磁気軸受と１組
のスラスト磁気軸受とにより，回転体の１次固有振動
数,2次固有振動数，及び曲げ１次固有振動数を含む周波
数に対して位相補償（安定化作用）が行われるが，回転
体のフリーフリー２次固有振動数の振動モードを考慮し
て，スラスト磁気軸受の磁性体デイスクの中心部を反円
板側に延長し，同延長部の周りに同延長部の半径方向位
置を計測する位置センサを配置して，同位置センサを反
円板側のジヤーナル磁気軸受の制御系に接続しており，
位相補償範囲外の回転体曲げ２次固有振動数についても
位相反転を生じさせて，その周波数領域を安定化力（減
衰力）に変換でき，発散的な振動を防止できて，回転体
を安定的に浮上支持できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案に係わるターボ分子ポンプの一実施例を
示す縦断側面図，第２図は回転体のフリーフリー２次固
有振動数の振動モードに対する磁気軸受の配置を示す説
明図，第３図は第1,2,3,4次固有振動数の振動モードに
対する磁気軸受の配置を示す説明図，第４図は回転体に
対する磁気軸受の減衰特性を示す説明図，第５図は他の
実施例を示す縦断側面図，第６図は従来のターボ分子ポ
ンプを示す縦断側面図，第７図は磁気軸受の制御系を示
すブロック図，第８図は磁気軸受の減衰特性を示す説明
図，第９図（ａ）〜（ｅ）は回転体の固有振動数の種類
を示す説明図である。（1L）（1R）……位置センサ，（2L）（2R）……位置フ
イードバツクゲイン，（3L）（3R）……制御器，（4L）
（4R）……電磁石，（５）……回転体，（6L）（6R）…
…ジヤーナル磁気軸受，（７）……外筒，（８）……軸
体，（９）……円板，（10）……排ガス用翼体，（11）
……磁性体デイスク，（12）……回転体駆動用モータ，
（13）……スラスト磁気軸受，（14）……支持円筒体。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】円板と同円板の中心部に一端部を固定した
軸体と同円板の周縁部に固定して同軸体を取り囲み且つ
外周面に複数の排ガス用翼体を取付けた外筒とよりなる
回転体と，上記軸体と上記外筒との間の空間部に嵌挿し
た回転体の支持円筒体と，同支持円筒体の内周面に取付
けた回転体駆動用モータと，上記支持円筒体と上記軸体
との間に介装した２組のジヤーナル磁気軸受及び１組の
スラスト磁気軸受とを有するターボ分子ポンプにおい
て，前記各ジヤーナル磁気軸受を軸方向に間隔を置いて
前記支持円筒体と前記軸体との間に介装し，前記スラス
ト磁気軸受を前記支持円筒体と前記軸体の反円板側端部
との間に介装し，同スラスト磁気軸受の磁性体デイスク
の中心部を軸方向に延長し，同延長部の半径方向位置を
計測する位置センサを前記各ジヤーナル磁気軸受のう
ち，反円板側のジヤーナル磁気軸受の制御系に接続した
ことを特徴とするターボ分子ポンプ。