JPH0646036B2 - 軸流分子ポンプ - Google Patents
軸流分子ポンプInfo
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- JPH0646036B2 JPH0646036B2 JP57203263A JP20326382A JPH0646036B2 JP H0646036 B2 JPH0646036 B2 JP H0646036B2 JP 57203263 A JP57203263 A JP 57203263A JP 20326382 A JP20326382 A JP 20326382A JP H0646036 B2 JPH0646036 B2 JP H0646036B2
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- axial
- radial
- electromagnet
- permanent magnet
- magnetic bearing
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D29/00—Details, component parts, or accessories
- F04D29/05—Shafts or bearings, or assemblies thereof, specially adapted for elastic fluid pumps
- F04D29/056—Bearings
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D19/00—Axial-flow pumps
- F04D19/02—Multi-stage pumps
- F04D19/04—Multi-stage pumps specially adapted to the production of a high vacuum, e.g. molecular pumps
- F04D19/048—Multi-stage pumps specially adapted to the production of a high vacuum, e.g. molecular pumps comprising magnetic bearings
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
- F16C25/00—Bearings for exclusively rotary movement adjustable for wear or play
- F16C25/02—Sliding-contact bearings
- F16C25/04—Sliding-contact bearings self-adjusting
- F16C25/045—Sliding-contact bearings self-adjusting with magnetic means to preload the bearing
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- F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
- F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
- F16C32/0406—Magnetic bearings
- F16C32/044—Active magnetic bearings
- F16C32/0474—Active magnetic bearings for rotary movement
- F16C32/0485—Active magnetic bearings for rotary movement with active support of three degrees of freedom
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
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- F16C2360/44—Centrifugal pumps
- F16C2360/45—Turbo-molecular pumps
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- General Engineering & Computer Science (AREA)
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- Electromagnetism (AREA)
- Non-Positive Displacement Air Blowers (AREA)
- Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)
Description
この発明は、釣鐘型のローターを磁気軸受を利用して無
接触支持する軸流分子ポンプに関する。
接触支持する軸流分子ポンプに関する。
放射状の翼のついたロータを高速で回転させる軸流分子
ポンプは、既に種々の形式のものが提案・発表されてい
る。例えば、特公昭５７−３０９９８号には、磁気的な
１つの軸方向軸受と、磁気的な２つの径方向軸受でロー
タを無接触支持する５軸制御型磁気軸受を採用した高速
回転が可能な軸流分子ポンプが開示されている。また、
特公昭５２−２６２９２号には、軸方向磁気軸受と径方
向磁気軸受で回転体を支持する装置において、磁気力を
用いた回転体吸引装置によって回転体の見かけの重量を
増加させることにより、回転体の復元力を増大させ回転
を制御する技術が開示されている。
ポンプは、既に種々の形式のものが提案・発表されてい
る。例えば、特公昭５７−３０９９８号には、磁気的な
１つの軸方向軸受と、磁気的な２つの径方向軸受でロー
タを無接触支持する５軸制御型磁気軸受を採用した高速
回転が可能な軸流分子ポンプが開示されている。また、
特公昭５２−２６２９２号には、軸方向磁気軸受と径方
向磁気軸受で回転体を支持する装置において、磁気力を
用いた回転体吸引装置によって回転体の見かけの重量を
増加させることにより、回転体の復元力を増大させ回転
を制御する技術が開示されている。
しかし、従来の技術を用いた軸流分子ポンプには、下記
の課題があった。 高速回転を可能にするために５軸制御型磁気軸受を採
用すると、ロータの自由度のうち回転以外の５自由度す
べてを能動的に制御する必要があるので、位置センサ
ー、ゲイン・位相補償回路、電磁石駆動回路、電磁石な
どからなる制御ループが３組以上必要となり、機械軸受
方式に比べて高価格・大型になる。また、無接触支持で
ある磁気軸受では、軸受の寿命は制御回路の信頼性に依
存するが、前述のとおり制御回路数が多いので全体とし
て回路素子数も多くなり機械軸受方式に比べてもそれほ
ど寿命が長くはならなかった。 アウターロータ方式の軸流分子ポンプでは、ロータを
支えるために必然的にシャフトが太くなり、それにつれ
て回転によりシャフトの外周に働く遠心力も大きくな
る。そのため、強度の弱い電磁鋼板で作製された駆動装
置の回転子がシャフトの外周に取り付けられている場合
には回転速度を大きく上げることができない。 回転体を高速で回転させると、自励振動が発生し、回
転が不安定になる。 そこで、この発明の目的は、軸受及び軸受制御ループの
数を減らして小型化・低コスト化を図りつつ、高速回転
をも可能にし、同時にロータの振動の少ない安定した回
転も実現できる軸流分子ポンプを得ることにある。
の課題があった。 高速回転を可能にするために５軸制御型磁気軸受を採
用すると、ロータの自由度のうち回転以外の５自由度す
べてを能動的に制御する必要があるので、位置センサ
ー、ゲイン・位相補償回路、電磁石駆動回路、電磁石な
どからなる制御ループが３組以上必要となり、機械軸受
方式に比べて高価格・大型になる。また、無接触支持で
ある磁気軸受では、軸受の寿命は制御回路の信頼性に依
存するが、前述のとおり制御回路数が多いので全体とし
て回路素子数も多くなり機械軸受方式に比べてもそれほ
ど寿命が長くはならなかった。 アウターロータ方式の軸流分子ポンプでは、ロータを
支えるために必然的にシャフトが太くなり、それにつれ
て回転によりシャフトの外周に働く遠心力も大きくな
る。そのため、強度の弱い電磁鋼板で作製された駆動装
置の回転子がシャフトの外周に取り付けられている場合
には回転速度を大きく上げることができない。 回転体を高速で回転させると、自励振動が発生し、回
転が不安定になる。 そこで、この発明の目的は、軸受及び軸受制御ループの
数を減らして小型化・低コスト化を図りつつ、高速回転
をも可能にし、同時にロータの振動の少ない安定した回
転も実現できる軸流分子ポンプを得ることにある。
上記課題を解決するために、この発明は、シャフト及び
釣鐘型ロータを含む回転体を磁気的に支承するインナー
ロータ方式の軸流分子ポンプにおいて、前記回転体を駆
動する駆動モータと、前記シャフトの外周と前記ロータ
の内周との間に設けられた、略円筒状で中空部を持つス
テータコラムと、１組の径方向電磁石と径方向電磁石回
転部からなる径方向磁気軸受と、軸方向電磁石とアーマ
チュアディスクと固定側永久磁石と回転側永久磁石とか
らなる軸方向磁気軸受と、ターゲット部と固定側部材か
らなる前記回転体の径方向の変位を検出するための径方
向変位センサーと、前記回転体の軸方向の変位を検出す
るための軸方向変位センサーを備え、前記駆動モータの
回転子と前記径方向電磁石回転部と前記径方向変位セン
サーのターゲット部が前記シャフトの外周に沿って配設
されるとともに、前記アーマチュアディスクと前記回転
側永久磁石が前記シャフトの略端部に配設され、前記駆
動モータの固定部と前記径方向電磁石と前記径方向変位
センサーの固定側部材と前記軸方向電磁石と前記固定側
永久磁石が前記ステータコラムに、前記駆動モータの回
転子と前記駆動モータの固定部、前記径方向電磁石回転
部と前記径方向電磁石、前記径方向変位センサーのター
ゲット部と前記径方向変位センサーの固定側部材、前記
アーマチュアディスクと前記軸方向電磁石、前記回転側
永久磁石と前記固定側永久磁石、がそれぞれ対向するよ
うに固定され、前記径方向磁気軸受と前記軸方向磁気軸
受により前記回転体の運動に関する３自由度が能動的に
制御されるとともに、前記軸方向磁気軸受により前記回
転体の運動に関する２自由度が受動的に制御され、前記
ステータコラムは非極性で導電率の高い材料で、前記シ
ャフトは非極性で導電率の比較的低い材料で形成された
構成とした。
釣鐘型ロータを含む回転体を磁気的に支承するインナー
ロータ方式の軸流分子ポンプにおいて、前記回転体を駆
動する駆動モータと、前記シャフトの外周と前記ロータ
の内周との間に設けられた、略円筒状で中空部を持つス
テータコラムと、１組の径方向電磁石と径方向電磁石回
転部からなる径方向磁気軸受と、軸方向電磁石とアーマ
チュアディスクと固定側永久磁石と回転側永久磁石とか
らなる軸方向磁気軸受と、ターゲット部と固定側部材か
らなる前記回転体の径方向の変位を検出するための径方
向変位センサーと、前記回転体の軸方向の変位を検出す
るための軸方向変位センサーを備え、前記駆動モータの
回転子と前記径方向電磁石回転部と前記径方向変位セン
サーのターゲット部が前記シャフトの外周に沿って配設
されるとともに、前記アーマチュアディスクと前記回転
側永久磁石が前記シャフトの略端部に配設され、前記駆
動モータの固定部と前記径方向電磁石と前記径方向変位
センサーの固定側部材と前記軸方向電磁石と前記固定側
永久磁石が前記ステータコラムに、前記駆動モータの回
転子と前記駆動モータの固定部、前記径方向電磁石回転
部と前記径方向電磁石、前記径方向変位センサーのター
ゲット部と前記径方向変位センサーの固定側部材、前記
アーマチュアディスクと前記軸方向電磁石、前記回転側
永久磁石と前記固定側永久磁石、がそれぞれ対向するよ
うに固定され、前記径方向磁気軸受と前記軸方向磁気軸
受により前記回転体の運動に関する３自由度が能動的に
制御されるとともに、前記軸方向磁気軸受により前記回
転体の運動に関する２自由度が受動的に制御され、前記
ステータコラムは非極性で導電率の高い材料で、前記シ
ャフトは非極性で導電率の比較的低い材料で形成された
構成とした。
上記のように構成されたインナーロータ式の軸流分子ポ
ンプにおいては、径方向変位センサーと径方向磁気軸受
により径方向の２自由度を能動的に制御し、軸方向変位
センサーと軸方向磁気軸受により軸方向の１自由度を能
動的に制御し、軸方向磁気軸受を構成する少なくとも１
対の永久磁石から生じる吸引力により径方向の残りの２
自由度を受動的に制御することとなり、ロータの回転以
外の５自由度全てが上記２つの磁気軸受で制御できるの
で、従来より小規模な軸受機構で回転体の高速回転が可
能になる。加えて、ステータコラムを非極性で導電率の
高い材料で、シャフトを非磁性で導電率の比較的低い材
料で形成してあるので、回転体の運動によって生じる渦
電流がステータコラムでは増加、シャフトでは減少し、
従って、外部減衰が大きく、内部減衰が小さくなり、結
果的に高速回転域においても自励振動のない安定した回
転が可能となる。つまり、小型・低コストで高速回転が
可能な軸流分子ポンプが実現できる。
ンプにおいては、径方向変位センサーと径方向磁気軸受
により径方向の２自由度を能動的に制御し、軸方向変位
センサーと軸方向磁気軸受により軸方向の１自由度を能
動的に制御し、軸方向磁気軸受を構成する少なくとも１
対の永久磁石から生じる吸引力により径方向の残りの２
自由度を受動的に制御することとなり、ロータの回転以
外の５自由度全てが上記２つの磁気軸受で制御できるの
で、従来より小規模な軸受機構で回転体の高速回転が可
能になる。加えて、ステータコラムを非極性で導電率の
高い材料で、シャフトを非磁性で導電率の比較的低い材
料で形成してあるので、回転体の運動によって生じる渦
電流がステータコラムでは増加、シャフトでは減少し、
従って、外部減衰が大きく、内部減衰が小さくなり、結
果的に高速回転域においても自励振動のない安定した回
転が可能となる。つまり、小型・低コストで高速回転が
可能な軸流分子ポンプが実現できる。
以下に、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。 図１は、本発明の実施例の縦断面図である。図１におい
て、径方向電磁石２と径方向電磁石回転部18で構成され
る径方向磁気軸受、軸方向電磁石７とアーマチュアディ
スク８と固定側永久磁石４と回転側永久磁石５で構成さ
れる軸方向磁気軸受、ターゲット部19と固定側部材１で
構成される径方向変位センサー、及び軸方向変位センサ
ー６が、図示したように、固定側部品はステータコラム
17に、回転側部品はシャフト３にそれぞれ取り付けら
れ、全体としてシャフトを支持する磁気軸受機構となっ
ている。このシャフト３に、翼のついた釣鐘形のロータ
９をシャフトと磁気軸受機構を覆うように取り付けて回
転体をなし、この回転体を径方向磁気軸受と軸方向磁気
軸受の間に配置したインナーロータ方式の駆動モータ10
により回転させる。ここで、ステータコラム17は非磁性
で導電率の高い材料（例えばアルミ材など）で、シャフ
ト３は非磁性で導電率の低い材料（例えばステンレス材
など）で作製されている。 ここで、ロータ３を高速で回転させるために、駆動モー
ターにインナーロータ方式を用いて回転子14の外径をで
きる限り小さくし、また軸方向電磁石７のヨークを分割
して外側磁極を軸方向電磁コイル20の外径よりも内側磁
極に近づけるようにしてアーマチュアディスク８の外径
を小さくし、さらに、回転側永久磁石５を回転側永久磁
石ホルダー15に圧入して回転側永久磁石に予圧をかけ、
高速回転時の遠心力に耐える構造にしている。 図１の軸流分子ポンプにおいて、高速で回転するロータ
９の翼と固定翼13により吸気口11から排気口12への気体
分子の流れができ、真空ポンプとして働く。ここで、前
述のようにロータ９がシャフト３と磁気軸受全体を覆う
ように取り付けられているので、気体分子の流れを遮る
こともなく、また、ガスが発生する恐れのある電磁石や
モータは低真空側に配置され、しかも油潤滑の軸受けは
使用していないので、オイルフリーな高品質の真空を効
率よく作ることができる。 本発明では上述の構成によって、３自由度を１対の径方
向磁気軸受と１組の軸方向磁気軸受により能動的に制御
し、径方向の残りの２自由度を同じく１組の軸方向磁気
軸受により受動的に制御している。そのため、従来の５
軸制御型磁気軸受に比べ少ない磁気軸受機構で回転を制
御することができる。以下に、これについて説明する。 （ａ）径方向の２自由度の能動的制御 径方向変位センサーがシャフトの径方向の平衡点からの
変位量を検出し、この検出信号をここでは図示していな
いゲイン・位相補償回路と電磁石駆動回路を通して径方
向電磁石２を駆動することによって、シャフト３を径方
向平衡点に引き戻し安定に保持するようになっている。 （ｂ）軸方向の１自由度の能動的制御 固定側永久磁石４と回転側永久磁石５を互いに吸引し合
うように対向して配置し、シャフト３が常に固定側永久
磁石４の方へ吸引されるようにする。そして軸方向変位
センサー６がシャフトの軸方向の平衡点からの変位量を
検出し、この検出信号をここでは図示していないゲイン
・位相補償回路と電磁石駆動回路を通して軸方向電磁石
７に流れるコイル電流が制御され、シャフト３を固定側
永久磁石４とは反対の方向へ吸引する力を制御すること
により、シャフト３を安定に軸方向平衡点に引き戻し保
持するようになっている。 （ｃ）径方向の２自由度の受動的制御 平衡状態においては、軸方向電磁石７の吸引力と、固定
側永久磁石４と回転側永久磁石５との間の吸引力とが、
軸方向に互いに反対方向に作用している。ここで、シャ
フト３が平衡点から径方向に変位すると、アーマチュア
ディスク８と回転側永久磁石５の位置が軸方向電磁石７
と固定側永久磁石４とに対して径方向にずれ、これに比
例して元の位置に戻そうとする復元力が働く。この力に
よって、シャフト３の径方向位置を平衡点に受動的に拘
束保持する。 この磁気軸受システムで安定な回転が実現できることを
第２図を用いて以下に説明する。第２図は、軸受部をバ
ネとダンパーを用いて模式的に示したものである。径方
向磁気軸受による径方向の２自由度の能動的な運動制御
は、２組の径方向のバネ定数ｋ１と減衰定数ｄ１で表現
できる。同様に、軸方向磁気軸受による軸方向の１自由
度の能動的な運動制御はバネ定数ｋ３と減衰定数ｄ
３で、径方向の２自由度の受動的な運動制御は２組のバ
ネ定数ｋ２と減衰定数ｄ２で表現できる。ここでｄ１と
ｄ３は、磁気軸受の制御回路によって能動的に作られる
ので十分大きな値にできるが、ｄ２は軸方向電磁石７の
吸引力と、固定側電磁石４と回転側電磁石５との間に作
用する吸引力から作られる受動的な径方向復元力の減衰
成分のため、積極的に減衰をかけたｄ１及びｄ３に比べ
るとほとんど零（ｄ２≪ｄ１、ｄ３）に近い。 シャフト３の運動は軸方向と径方向の運動に分離できる
が、軸方向の運動は完全に能動的に制御しているので、
ここでは径方向の運動のみに限定して考える。シャフト
３、ロータ９、回転側永久磁石５、アーマチュアディス
ク８、回転側永久磁石ホルダー15等、第１図において回
転する部品全体を、第２図で回転体16で示す。回転体16
の重心をＧ，バネ定数ｋ１の作用点をＡ，バネ定数ｋ２
の作用点をＢ、ＧＡ間の距離をｌ１、ＧＢ間の距離をｌ
２、回転速度をω、質量をｍ、径方向の慣性モーメント
をＩｒ、軸方向の慣性モーメントをＩａとし、適当な直
交座標軸ｘｙｚを取り、回転体の重心Ｇの平衡点からの
変位量をｘ，ｙとし、ロータ軸の傾きをθｘ，θｙとし
て、回転体の径方向の運動方程式をたてると以下のよう
になる。 ここで、−（ｋ１＋ｋ２）／ｍと−（ｄ１＋ｄ２）／ｍ
が重心Ｇの並進運動に対するバネ定数と減衰定数に対応
し、−（ｋ１ｌ１ ２＋ｋ２ｌ２ ２）／Ｉｒと（ｄ１ｌ１
２＋ｄ２ｌ２ ２）／Ｉｒ＋ｊωＩａ／Ｉｒが重心回りの
回転運動に対するバネ定数と減衰定数に対応する。また
−ｊ（ｋ１ｌ１−ｋ２ｌ２）／ｍ、−ｊ（ｄ１ｌ１−ｄ
２ｌ２）／ｍ、ｊ（ｋ１ｌ１−ｋ２ｌ２）／Ｉｒ、ｊ
（ｄ１ｌ１−ｄ２ｌ２）／Ｉｒは、重心の並進運動と重
心回りの回転運動との相互作用に関係する項である。 重心の並進運動と重心回りの回転運動の減衰定数がｄ１
とｄ２あるいはｄ１ｌ１ ２とｄ２ｌ２ ２の和に関係する
事から、ｄ２がほとんど零であってもｄ１によってそれ
らの値を十分な値にできるので、本発明の方式の磁気軸
受によっても安定な回転が実現できる。更にｋ１ｌ１＝
ｋ２ｌ２になる関係になるように、回転体の重心Ｇの位
置と径方向軸受の径方向のバネ定数ｋ１と軸方向軸受の
受動的な径方向のバネ定数ｋ２とを設定すると、即ち、
点ＧがＡＢ間をｋ２：ｋ１に内分するようにすると、前
述の式においてｄ１、ｄ２が零の場合を考えるとわかる
ように、重心の並進運動と重心回りの回転運動の相互作
用の項がなくなり、この系の２つの共振点が最も近づい
た状態になる。そのため、前記相互作用による振動がな
くなり、また２つの運動モードに対する減衰率も近づい
てくるので、２つある系の共振点の通過が容易になる。
その上、軸流分子ポンプの姿勢が第１図における姿勢か
ら９０度回転させたようにした場合にも、上記の様にｋ
１ｌ１＝ｋ２ｌ２になる関係に設定してあれば、シャフ
ト３が水平に保持されるという利点もある。 回転体を高速で回転させる場合、よく知られているよう
に、回転体に内部減衰があると自励振動が発生して、回
転体の回転が不安定になる事がある。この自励振動の生
じる回転速度は、回転体の慣性モーメントの比（Ｉａ／
Ｉｒ）と、回転体の内部減衰ηｉと外部減衰ηｏとの比
（ηｏ／ηｉ）に関係し、これらの比が増大するに従っ
て、自励振動の生じる回転数が上昇する。ここで内部減
衰とは、回転体内部に生じるエネルギー消費に関係し、
構成部品間の摩擦や構成部品に流れる渦電流などにより
起こり、一方、外部減衰とは、回転体の運動によって回
転体以外の固定側に生じるエネルギー消費に関係し、回
路によって能動的に作る減衰や固定側に流れる渦電流な
どで起こる。そこで本発明においては渦電流による減衰
に注目し、固定側永久磁石４・軸方向電磁石７・駆動モ
ータ10・径方向電磁石２を支持している固定側支持体で
あるステータコラム17に非磁性で導電率の高い材料（例
えばアルミ材など）を用い、モータの回転子14・径方向
電磁石回転部18・径方向変位センサーターゲット19・回
転側永久磁石５を保持している回転側永久磁石ホルダー
15以外のシャフトの部分を非磁性で導電率の低い材料
（例えばステンレス材など）を用いることで、ηｏ／η
ｉを大きくし、設定回転速度内で自励振動が発生しない
ようにしている。本実施例では、それぞれにアルミ材と
ステンレス材を用いたが、自励振動の発生する回転速度
を高くするためには、強度的に許される範囲内で、固定
側には非磁性で導電率ができる限り高い材質を、回転側
には非磁性で導電率ができる限り低い材質を用いること
が最適である。さらにシャフト３（モータ・電磁石・セ
ンサーに関係しない部分）を非磁性材にすることによっ
て、軸方向電磁石７からの漏れ磁束による吸引力の影響
をシャフト３が受けないようにしている。 第３図において、回転体の重心をＧ、軸方向電磁石また
は永久磁石のある一つの対向位置をＤとし、ＧＤ間の距
離をｌ、Ｇを通る平衡状態の回転軸ＩからＧＤへの角度
をθ、径方向の受動的な径方向バネ定数をｋｒ、回転軸
Ｉ方向の不安定バネ定数をｋｕとすると、重心Ｇ回りの
回転に対する回転バネ定数ｋθは、以下のようになるこ
とが知られている。 従ってｋθを大きくするには、ｋｒを増大させる事はも
ちろんであるが、ｌを長く、θを小さくすればよい。そ
こで本発明においては、前述の構成のとおり、軸方向電
磁石７のヨークを分割した構造にして外側磁極をできる
限り内側磁極に近づけてアーマチュアディスクの外径を
小さくしてあるので、各磁極位置の前述した角度θは小
さくなり、よってｋθの増大化を図ることができる。 以上、本発明の一実施例を説明したが、軸方向を能動的
に制御保持すると同時に径方向も受動的に拘束保持する
働きをする部分を、第４図に示すように、軸方向電磁石
７を二つ対向させた方式や、第５図に示すように、永久
磁石21を軸方向電磁石７のヨークに挿入してバイアス磁
束を永久磁石で発生させる方法や、第６図に示すよう
に、片側は第一の実施例と同様に永久磁石を対向させ、
もう一方の軸方向電磁石７のヨークに永久磁石21を挿入
してバイアス磁束を永久磁石で発生させる方法なども考
えられる。
て、径方向電磁石２と径方向電磁石回転部18で構成され
る径方向磁気軸受、軸方向電磁石７とアーマチュアディ
スク８と固定側永久磁石４と回転側永久磁石５で構成さ
れる軸方向磁気軸受、ターゲット部19と固定側部材１で
構成される径方向変位センサー、及び軸方向変位センサ
ー６が、図示したように、固定側部品はステータコラム
17に、回転側部品はシャフト３にそれぞれ取り付けら
れ、全体としてシャフトを支持する磁気軸受機構となっ
ている。このシャフト３に、翼のついた釣鐘形のロータ
９をシャフトと磁気軸受機構を覆うように取り付けて回
転体をなし、この回転体を径方向磁気軸受と軸方向磁気
軸受の間に配置したインナーロータ方式の駆動モータ10
により回転させる。ここで、ステータコラム17は非磁性
で導電率の高い材料（例えばアルミ材など）で、シャフ
ト３は非磁性で導電率の低い材料（例えばステンレス材
など）で作製されている。 ここで、ロータ３を高速で回転させるために、駆動モー
ターにインナーロータ方式を用いて回転子14の外径をで
きる限り小さくし、また軸方向電磁石７のヨークを分割
して外側磁極を軸方向電磁コイル20の外径よりも内側磁
極に近づけるようにしてアーマチュアディスク８の外径
を小さくし、さらに、回転側永久磁石５を回転側永久磁
石ホルダー15に圧入して回転側永久磁石に予圧をかけ、
高速回転時の遠心力に耐える構造にしている。 図１の軸流分子ポンプにおいて、高速で回転するロータ
９の翼と固定翼13により吸気口11から排気口12への気体
分子の流れができ、真空ポンプとして働く。ここで、前
述のようにロータ９がシャフト３と磁気軸受全体を覆う
ように取り付けられているので、気体分子の流れを遮る
こともなく、また、ガスが発生する恐れのある電磁石や
モータは低真空側に配置され、しかも油潤滑の軸受けは
使用していないので、オイルフリーな高品質の真空を効
率よく作ることができる。 本発明では上述の構成によって、３自由度を１対の径方
向磁気軸受と１組の軸方向磁気軸受により能動的に制御
し、径方向の残りの２自由度を同じく１組の軸方向磁気
軸受により受動的に制御している。そのため、従来の５
軸制御型磁気軸受に比べ少ない磁気軸受機構で回転を制
御することができる。以下に、これについて説明する。 （ａ）径方向の２自由度の能動的制御 径方向変位センサーがシャフトの径方向の平衡点からの
変位量を検出し、この検出信号をここでは図示していな
いゲイン・位相補償回路と電磁石駆動回路を通して径方
向電磁石２を駆動することによって、シャフト３を径方
向平衡点に引き戻し安定に保持するようになっている。 （ｂ）軸方向の１自由度の能動的制御 固定側永久磁石４と回転側永久磁石５を互いに吸引し合
うように対向して配置し、シャフト３が常に固定側永久
磁石４の方へ吸引されるようにする。そして軸方向変位
センサー６がシャフトの軸方向の平衡点からの変位量を
検出し、この検出信号をここでは図示していないゲイン
・位相補償回路と電磁石駆動回路を通して軸方向電磁石
７に流れるコイル電流が制御され、シャフト３を固定側
永久磁石４とは反対の方向へ吸引する力を制御すること
により、シャフト３を安定に軸方向平衡点に引き戻し保
持するようになっている。 （ｃ）径方向の２自由度の受動的制御 平衡状態においては、軸方向電磁石７の吸引力と、固定
側永久磁石４と回転側永久磁石５との間の吸引力とが、
軸方向に互いに反対方向に作用している。ここで、シャ
フト３が平衡点から径方向に変位すると、アーマチュア
ディスク８と回転側永久磁石５の位置が軸方向電磁石７
と固定側永久磁石４とに対して径方向にずれ、これに比
例して元の位置に戻そうとする復元力が働く。この力に
よって、シャフト３の径方向位置を平衡点に受動的に拘
束保持する。 この磁気軸受システムで安定な回転が実現できることを
第２図を用いて以下に説明する。第２図は、軸受部をバ
ネとダンパーを用いて模式的に示したものである。径方
向磁気軸受による径方向の２自由度の能動的な運動制御
は、２組の径方向のバネ定数ｋ１と減衰定数ｄ１で表現
できる。同様に、軸方向磁気軸受による軸方向の１自由
度の能動的な運動制御はバネ定数ｋ３と減衰定数ｄ
３で、径方向の２自由度の受動的な運動制御は２組のバ
ネ定数ｋ２と減衰定数ｄ２で表現できる。ここでｄ１と
ｄ３は、磁気軸受の制御回路によって能動的に作られる
ので十分大きな値にできるが、ｄ２は軸方向電磁石７の
吸引力と、固定側電磁石４と回転側電磁石５との間に作
用する吸引力から作られる受動的な径方向復元力の減衰
成分のため、積極的に減衰をかけたｄ１及びｄ３に比べ
るとほとんど零（ｄ２≪ｄ１、ｄ３）に近い。 シャフト３の運動は軸方向と径方向の運動に分離できる
が、軸方向の運動は完全に能動的に制御しているので、
ここでは径方向の運動のみに限定して考える。シャフト
３、ロータ９、回転側永久磁石５、アーマチュアディス
ク８、回転側永久磁石ホルダー15等、第１図において回
転する部品全体を、第２図で回転体16で示す。回転体16
の重心をＧ，バネ定数ｋ１の作用点をＡ，バネ定数ｋ２
の作用点をＢ、ＧＡ間の距離をｌ１、ＧＢ間の距離をｌ
２、回転速度をω、質量をｍ、径方向の慣性モーメント
をＩｒ、軸方向の慣性モーメントをＩａとし、適当な直
交座標軸ｘｙｚを取り、回転体の重心Ｇの平衡点からの
変位量をｘ，ｙとし、ロータ軸の傾きをθｘ，θｙとし
て、回転体の径方向の運動方程式をたてると以下のよう
になる。 ここで、−（ｋ１＋ｋ２）／ｍと−（ｄ１＋ｄ２）／ｍ
が重心Ｇの並進運動に対するバネ定数と減衰定数に対応
し、−（ｋ１ｌ１ ２＋ｋ２ｌ２ ２）／Ｉｒと（ｄ１ｌ１
２＋ｄ２ｌ２ ２）／Ｉｒ＋ｊωＩａ／Ｉｒが重心回りの
回転運動に対するバネ定数と減衰定数に対応する。また
−ｊ（ｋ１ｌ１−ｋ２ｌ２）／ｍ、−ｊ（ｄ１ｌ１−ｄ
２ｌ２）／ｍ、ｊ（ｋ１ｌ１−ｋ２ｌ２）／Ｉｒ、ｊ
（ｄ１ｌ１−ｄ２ｌ２）／Ｉｒは、重心の並進運動と重
心回りの回転運動との相互作用に関係する項である。 重心の並進運動と重心回りの回転運動の減衰定数がｄ１
とｄ２あるいはｄ１ｌ１ ２とｄ２ｌ２ ２の和に関係する
事から、ｄ２がほとんど零であってもｄ１によってそれ
らの値を十分な値にできるので、本発明の方式の磁気軸
受によっても安定な回転が実現できる。更にｋ１ｌ１＝
ｋ２ｌ２になる関係になるように、回転体の重心Ｇの位
置と径方向軸受の径方向のバネ定数ｋ１と軸方向軸受の
受動的な径方向のバネ定数ｋ２とを設定すると、即ち、
点ＧがＡＢ間をｋ２：ｋ１に内分するようにすると、前
述の式においてｄ１、ｄ２が零の場合を考えるとわかる
ように、重心の並進運動と重心回りの回転運動の相互作
用の項がなくなり、この系の２つの共振点が最も近づい
た状態になる。そのため、前記相互作用による振動がな
くなり、また２つの運動モードに対する減衰率も近づい
てくるので、２つある系の共振点の通過が容易になる。
その上、軸流分子ポンプの姿勢が第１図における姿勢か
ら９０度回転させたようにした場合にも、上記の様にｋ
１ｌ１＝ｋ２ｌ２になる関係に設定してあれば、シャフ
ト３が水平に保持されるという利点もある。 回転体を高速で回転させる場合、よく知られているよう
に、回転体に内部減衰があると自励振動が発生して、回
転体の回転が不安定になる事がある。この自励振動の生
じる回転速度は、回転体の慣性モーメントの比（Ｉａ／
Ｉｒ）と、回転体の内部減衰ηｉと外部減衰ηｏとの比
（ηｏ／ηｉ）に関係し、これらの比が増大するに従っ
て、自励振動の生じる回転数が上昇する。ここで内部減
衰とは、回転体内部に生じるエネルギー消費に関係し、
構成部品間の摩擦や構成部品に流れる渦電流などにより
起こり、一方、外部減衰とは、回転体の運動によって回
転体以外の固定側に生じるエネルギー消費に関係し、回
路によって能動的に作る減衰や固定側に流れる渦電流な
どで起こる。そこで本発明においては渦電流による減衰
に注目し、固定側永久磁石４・軸方向電磁石７・駆動モ
ータ10・径方向電磁石２を支持している固定側支持体で
あるステータコラム17に非磁性で導電率の高い材料（例
えばアルミ材など）を用い、モータの回転子14・径方向
電磁石回転部18・径方向変位センサーターゲット19・回
転側永久磁石５を保持している回転側永久磁石ホルダー
15以外のシャフトの部分を非磁性で導電率の低い材料
（例えばステンレス材など）を用いることで、ηｏ／η
ｉを大きくし、設定回転速度内で自励振動が発生しない
ようにしている。本実施例では、それぞれにアルミ材と
ステンレス材を用いたが、自励振動の発生する回転速度
を高くするためには、強度的に許される範囲内で、固定
側には非磁性で導電率ができる限り高い材質を、回転側
には非磁性で導電率ができる限り低い材質を用いること
が最適である。さらにシャフト３（モータ・電磁石・セ
ンサーに関係しない部分）を非磁性材にすることによっ
て、軸方向電磁石７からの漏れ磁束による吸引力の影響
をシャフト３が受けないようにしている。 第３図において、回転体の重心をＧ、軸方向電磁石また
は永久磁石のある一つの対向位置をＤとし、ＧＤ間の距
離をｌ、Ｇを通る平衡状態の回転軸ＩからＧＤへの角度
をθ、径方向の受動的な径方向バネ定数をｋｒ、回転軸
Ｉ方向の不安定バネ定数をｋｕとすると、重心Ｇ回りの
回転に対する回転バネ定数ｋθは、以下のようになるこ
とが知られている。 従ってｋθを大きくするには、ｋｒを増大させる事はも
ちろんであるが、ｌを長く、θを小さくすればよい。そ
こで本発明においては、前述の構成のとおり、軸方向電
磁石７のヨークを分割した構造にして外側磁極をできる
限り内側磁極に近づけてアーマチュアディスクの外径を
小さくしてあるので、各磁極位置の前述した角度θは小
さくなり、よってｋθの増大化を図ることができる。 以上、本発明の一実施例を説明したが、軸方向を能動的
に制御保持すると同時に径方向も受動的に拘束保持する
働きをする部分を、第４図に示すように、軸方向電磁石
７を二つ対向させた方式や、第５図に示すように、永久
磁石21を軸方向電磁石７のヨークに挿入してバイアス磁
束を永久磁石で発生させる方法や、第６図に示すよう
に、片側は第一の実施例と同様に永久磁石を対向させ、
もう一方の軸方向電磁石７のヨークに永久磁石21を挿入
してバイアス磁束を永久磁石で発生させる方法なども考
えられる。
以上のように、この発明の構成によれば次のような効果
がある。 １組の径方向磁気軸受と１組の軸方向磁気軸受により３
自由度を能動的に制御し、前記１組の軸方向磁気軸受に
より径方向の残りの２自由度を受動的に制御しているの
で、従来より小規模な磁気軸受機構で回転を制御できる
とともに、ステータコラムを非磁性で導電率の高い材料
で、シャフトを非磁性で導電率の比較的低い材料で形成
しているので、高速回転域においても自励振動が抑制さ
れ安定した回転が得られるので、小型、低コスト、高信
頼性、高性能な軸流分子ポンプが実現できる。
がある。 １組の径方向磁気軸受と１組の軸方向磁気軸受により３
自由度を能動的に制御し、前記１組の軸方向磁気軸受に
より径方向の残りの２自由度を受動的に制御しているの
で、従来より小規模な磁気軸受機構で回転を制御できる
とともに、ステータコラムを非磁性で導電率の高い材料
で、シャフトを非磁性で導電率の比較的低い材料で形成
しているので、高速回転域においても自励振動が抑制さ
れ安定した回転が得られるので、小型、低コスト、高信
頼性、高性能な軸流分子ポンプが実現できる。
第１図は、本発明の第一実施例である軸流分子ポンプの
縦断面図である。 第２図は、本発明の磁気軸受システムを模式的に表した
図である。 第３図は、径方向バネ定数・軸方向安定バネ定数・重心
回りの回転バネ定数の関係を示した説明図である。 第４図は、軸方向磁気軸受の他の構造の実施例（２）を
示す部分断面図である。 第５図は、軸方向磁気軸受の他の構造の実施例（３）を
示す部分断面図である。 第６図は、軸方向磁気軸受の他の構造の実施例（４）を
示す部分断面図である。 １……径方向変位センサー ２……径方向電磁石 ３……シャフト ４……固定側永久磁石 ５……回転側永久磁石 ６……軸方向変位センサー ７……軸方向電磁石 ８……アーマチュアディスク ９……ロータ １０……駆動モータ １１……吸気口 １２……排気口 １３……固定翼 １４……回転子 １５……回転側永久磁石ホルダー １６……回転体 １７……ステータコラム １８……径方向電磁石回転部 １９……径方向変位センサーターゲット ２０……軸方向電磁コイル Ｇ……回転体の重心 Ａ……径方向磁気軸受の作用点 Ｂ……軸方向磁気軸受の径方向制御の作用点
縦断面図である。 第２図は、本発明の磁気軸受システムを模式的に表した
図である。 第３図は、径方向バネ定数・軸方向安定バネ定数・重心
回りの回転バネ定数の関係を示した説明図である。 第４図は、軸方向磁気軸受の他の構造の実施例（２）を
示す部分断面図である。 第５図は、軸方向磁気軸受の他の構造の実施例（３）を
示す部分断面図である。 第６図は、軸方向磁気軸受の他の構造の実施例（４）を
示す部分断面図である。 １……径方向変位センサー ２……径方向電磁石 ３……シャフト ４……固定側永久磁石 ５……回転側永久磁石 ６……軸方向変位センサー ７……軸方向電磁石 ８……アーマチュアディスク ９……ロータ １０……駆動モータ １１……吸気口 １２……排気口 １３……固定翼 １４……回転子 １５……回転側永久磁石ホルダー １６……回転体 １７……ステータコラム １８……径方向電磁石回転部 １９……径方向変位センサーターゲット ２０……軸方向電磁コイル Ｇ……回転体の重心 Ａ……径方向磁気軸受の作用点 Ｂ……軸方向磁気軸受の径方向制御の作用点
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭51−60005（ＪＰ，Ａ) 特公 昭52−25497（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭52−26292（ＪＰ，Ｂ２)
Claims (5)
- 【請求項１】シャフト及び釣鐘型ロータを含む回転体を
磁気的に支承するインナーロータ方式の軸流分子ポンプ
において、前記回転体を駆動する駆動モータと、前記シ
ャフトの外周と前記ロータの内周との間に設けられた、
略円筒状で中空部を持つステータコラムと、１組の径方
向電磁石と径方向電磁石回転部からなる径方向磁気軸受
と、軸方向電磁石とアーマチュアディスクと固定側永久
磁石と回転側永久磁石とからなる軸方向磁気軸受と、タ
ーゲット部と固定側部材からなる前記回転体の径方向の
変位を検出するための径方向変位センサーと、前記回転
体の軸方向の変位を検出するための軸方向変位センサー
を備え、 前記駆動モータ回転子と前記径方向電磁石回転部と前記
径方向変位センサーのターゲット部が前記シャフトの外
周に沿って配設されるとともに、前記アーマチュアディ
スクと前記回転側永久磁石が前記シャフトの略端部に配
設され、前記駆動モータの固定部と前記径方向電磁石と
前記径方向変位センサーの固定側部材と前記軸方向電磁
石と前記固定側永久磁石が前記ステータコラムに、前記
駆動モータの回転子と前記駆動モータの固定部、前記径
方向電磁石回転部と前記径方向電磁石、前記径方向変位
センサーのターゲット部と前記径方向変位センサーの固
定側部材、前記アーマチュアディスクと前記軸方向電磁
石、前記回転側永久磁石と前記固定側永久磁石、がそれ
ぞれ対向するように固定され、 前記径方向磁気軸受と前記軸方向磁気軸受により前記回
転体の運動に関する３自由度が能動的に制御されるとと
もに、前記軸方向磁気軸受により前記回転体の運動に関
する２自由度が受動的に制御され、 前記ステータコラムは非磁性で導電率の高い材料で、前
記シャフトは非極性で導電率の比較的低い材料で形成さ
れた構成であることを特徴とする軸流分子ポンプ。 - 【請求項２】前記回転体の重心から、前記径方向磁気軸
受及び前記軸方向磁気軸受のそれぞれの作用点までの距
離の比が、前記径方向磁気軸受の径方向バネ定数と前記
軸方向磁気軸受の径方向バネ定数とのほぼ逆比となる構
成であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
軸流分子ポンプ。 - 【請求項３】前記シャフトの略端部に永久磁石支持体を
設け、前記軸方向軸受けの固定側永久磁石を前記永久磁
石支持体に圧入した構成であることを特徴とする特許請
求の範囲第１項記載の軸流分子ポンプ。 - 【請求項４】前記ステータコラムはアルミニュウム合金
で形成され、前記シャフトはステンレスで形成されたこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の軸流分子ポ
ンプ。 - 【請求項５】前記軸方向磁気軸受の軸方向電磁石のヨー
クが分割され、軸方向電磁石の外側磁極を、軸方向電磁
石コイルの外径より軸方向電磁石の内側磁極に近づけた
構成であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
の軸流分子ポンプ。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57203263A JPH0646036B2 (ja) | 1982-11-19 | 1982-11-19 | 軸流分子ポンプ |
| US06/553,180 US4609332A (en) | 1982-11-19 | 1983-11-18 | Turbo-molecular pump |
| DE19833341716 DE3341716A1 (de) | 1982-11-19 | 1983-11-18 | Turbo-molekularpumpe |
| GB08330794A GB2130655B (en) | 1982-11-19 | 1983-11-18 | Rotor assembly for a turbo molecular pump |
| FR8318474A FR2536473B1 (fr) | 1982-11-19 | 1983-11-21 | Pompe turbomoleculaire |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57203263A JPH0646036B2 (ja) | 1982-11-19 | 1982-11-19 | 軸流分子ポンプ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5993992A JPS5993992A (ja) | 1984-05-30 |
| JPH0646036B2 true JPH0646036B2 (ja) | 1994-06-15 |
Family
ID=16471133
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP57203263A Expired - Lifetime JPH0646036B2 (ja) | 1982-11-19 | 1982-11-19 | 軸流分子ポンプ |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4609332A (ja) |
| JP (1) | JPH0646036B2 (ja) |
| DE (1) | DE3341716A1 (ja) |
| FR (1) | FR2536473B1 (ja) |
| GB (1) | GB2130655B (ja) |
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