JPS61277896A - タ−ボ分子ポンプの磁気軸受装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はターボ分子ポンプの磁気軸受装置に関するもの
である。

［従来の技術］ ゛ターボ分子ポンプ（以下、ＴＭＰと略称する）は、ス
テータ翼と交互に配置されるロータ翼を外周に突設した
ロータを高速回転し、これらタービンえ列が気体分子に
与える機械的な排気作用で高真空を実現できるようにし
たものであるが、非常に高い回転数で運転されるため、
特にそのロータの軸支構造が重要な問題とされる。従来
、このロータの支持は、ポールベアリングのような接触
形の軸受によりそのロータシャフトを軸支して行なうの
が一般的であったが、最近ではベアリングの耐久性やそ
の油潤滑に伴なう諸々の弊害から非接触形の磁気軸受の
利用が推進されている。

現在、ＴＭＰに採用されている磁気軸受装置は、その制
御方式の内容から見ると３軸制御系のものと５軸制御系
のものに大別され、またこれら磁気軸受装置が適用され
てＴＭＰの回転方式に着目して分けると、１）軸回転方
式のものと、２）軸固定、ロータ回転方式のものとに大
別される。

これらの各従来例ないしは比較例をそれぞれ図示して説
明すると、以下の通りである。

まず第２図は、上記軸回転方式のＴＭＰについて、その
ロータシャフトＳを３軸制御可能に軸支する磁気軸受装
置の一例を示している。すなわち、図ではそのロータＢ
ｂと交互に配置されるステータ質およびその外周のポン
プケース等は省略して示している（以下に説明していく
各図においても同様である）が、このものではロータＲ
を一端に固着しているロータシャフトＳをその他端側で
モータハウジングＨ内に挿通し、このハウジングＨ内の
機械室で該シャツ）Ｓのまわりに、軸回転用のモータＭ
と、ラジアルセンサｒｓを備えてシャフトＳをラジアル
方向の２軸から制御可能に軸支するラジアル磁気軸受Ｂ
ＲＩと、軸端側でアキシャルセンサａＳを備えてシャツ
）Ｓを７キシヤル方向の１軸から制御可能に軸支するス
ラスト磁気軸受ＢＳおよび永久磁石ｐｍとを具備してな
るものである（なお第２図から第４図において〒ＢはＴ
ＭＰの運転停止時などにロータＲまたはロータシャツ）
Ｓを支持させるためのダッチベアリングを示す）、また
、第３図は同じく軸回転方式のＴＭＰについて、そのロ
ータシャフトＳを５軸制御可能に軸支するようにしたも
のを示している。すなわち、この磁気軸受装置は、近時
本発明者等が提案している処の新形に属するものである
が、そのモータハウジングＨで　軸回転用のモータＭと
、このモータＭを挟んだロータシャフトＳまわりに各ラ
ジアルセンサｒｓｌ、ｒｓｌを備えてシャフトＳを各々
ラジアル方向の２軸から制御可能に軸支するラジアル磁
気軸受ＢＲ＋、ＢＲｚと、軸端側でアキシャルセンサａ
Ｓを備えてシャフトＳをアキシャル方向の１軸から制御
可能に軸支するスラスト磁気軸受ＢＳ、ＢＳとを具備し
てなるものである。

一方、第４図は軸固定、ロータ回転方式のＴＭＰについ
て、そのロータＲを５軸制御可能に軸支する磁気軸受装
置の一例を示している。すなわち、この種のものではそ
のロータＲと軸心の固定シャフトＳ。を別体のものに分
離し、ロータＲの内周面と対面する固定シャフトＳ。の
外周に、ロータ同転用モータＭと、このモータＭを挟む
位置に各ラジアルセンサｒｓ１、ｒｓ（を備えてロータ
Ｒを各々ラジアル方向の２軸から制御可能に支えるラジ
アル磁気軸受ＢＲ１，ＢＲ１とを設けるとともに、固定
シャフトＳ０の上方延長軸部Ｓａにおける軸端側で７キ
シヤルセンサａＳを備えてロータＲを７キシヤル方向の
１軸から制御可能に支えるスラスト磁気軸受ＢＳを設け
てなるものである。

［発明が解決しようとする問題点］ ところが、上記ｌ）軸回転方式、２）軸固定、ロータ回
転方式のいずれによる場合も１次のような点で一長一短
がある。すなわち、前者の軸回転方式のものでは、その
機械室側の構成は従来の接触層軸受による軸支構造のも
のと基本的に変わりなく、この点ＴＭＰを全体として比
較的構造簡易なものにできる利点がある反面、この種の
方式のものにおいて磁気軸受を利用する場合、３軸制御
又は５軸制御のいずれであっても、その軸振動を防止す
る必要からロータシャフトＳに十分な剛性を持たせるよ
うにしなければならないことがあり、このため第２図、
第３図に見るように、そのシャフト径は今までよりも相
当太いものとしなければならない不都合がある。つまり
、このようにロータシャフトＳの軸径が大きなものにな
ると、結果としてその＠量が増し、ひいては回転系の制
御が困難となって振動を起し易いという問題を生じるこ
とになる。

一方、後者の軸固定、ロータ回転方式のものによると、
その軸心の固定シャフトＳ０は回転せずロータＲのみが
直接回転されるものであるから。

軸振動の問題が無く、また前者のように回転系が重量化
しないで済むから回転系の制御が容易となり、加えてそ
のラジアル磁気軸受ＢＲＩ　、ＢＲｌがラジアルセンサ
ｒｓＨ，ｒｓ１と共にロータ内周面に対面する固定シャ
フトＳ。外周の位置、即ちロータ軸心から昇速方位置に
配置されることからロータＲの制御精度がよくなる利点
を持っている反面、ＴＭＰ全体としての構造が複雑にな
るのが難点である。つまり、この種のものでは、第４図
に見るようにロータＲを軸心の固定シャツ）Ｓｏに対し
てオーバーハングさせ、前記固定シャフトＳ、、の延長
軸部Ｓａでスラスト磁気軸受ＢＳを設置しなければなら
ないことや、その軸心の固定シャフトＳ。の内部を穿孔
（図示点線）しその内部を通して必要な配線等を行なわ
なければならない等の制約から、どうしてもポンプサイ
ズや内部の組立構造が大型複雑化してしまうという不具
合を避けることができないものとなることである。

このような現状の問題点に鑑み、本発明は前記軸回転方
式のＴＭＰに適用されているものと、前記ロータ直接回
転方式のＴＭＰに適用されているものとの両者の長所の
みを併せもつことができるようにしたＴＭＰ用の磁気軸
受装置を提供することを目的としている。

［問題点を解決するための手段］ 未発明は、このような目的を達成するために。

前述のような軸回転方式のＴＭＰに適用される磁気軸受
装置として、少なくともそのロータをラジアル方向に支
えるラジアル磁気軸受を、そのロータシャフトを回転駆
動するためのモータを内蔵しているモータハウジング外
周で前記ロータの内周面と対面する部位に配設したこと
を特徴としている。

［作用〕 すなわち１本発明に係るＴＭＰでは、基本的にはモータ
ハウジング内の内蔵モータでロータシャフトを回転駆動
し、該ロータシャフトを介してロータを回転する軸回転
方式を採りつつも、そのロータシャフトは従前のように
ロータの軸心を保持するための軸支部としての役割を持
たず、ロータの位置決め支持は、七のモータハウジング
外周でロータの内周面と対面する部位に配設されるラジ
アル磁気軸受により直接的に行なわれるものとなる。換
言すれば、本発明によるとロータに固着されるロータシ
ャフトは該ロータに回転力を伝える動力軸としての役目
をもつに過ぎず、従ってそのロータシャフトは該シャフ
トで軸受支持する従来構造のもののように大径のものに
することを要せず、このため回転系の重量増加を有効に
抑えることができる。−・方、ラジアル磁気軸受はモー
タハウジングの外周に配設されるため、従来構造のよう
にモータハウジング内でモータと共に列設する場合のよ
うな配置部位の制限を受けず、それ故ＴＭＰ全体として
の軸長寸法の短縮化に役立つとともに、ロータラジアル
方向の位置制御がロータ軸心から従来よりも昇速方位置
で行なわれることになるから、ロータの振動に対するラ
ジアル軸受の制御特性を高性能のものにすることが可能
となる。したがって、このようなものであれば軸回転方
式のものと、軸同定、ロータ回転方式のものがもつ長所
のみを合せもったＴＭＰの磁気軸受装置が実現されるこ
とになる。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

：ｉＳ１図は１本発明に係る磁気軸受装置を備えたＴＭ
Ｐの構成例を示し、図において、１はベースであり、こ
のベース１上にポンプ機械室を内股するモータハウジン
グ２を固設し、さらにこのハウジング２の上方外側に非
接触状態で回転自由に支持されるロータ３を載設してい
る（この実施例のものも第２図乃至第４図と同様ロータ
外周のステータ例の構成を図示省略して示す）。

前記ロータ３は釣り鐘形のもので、吸気口側に当る上方
頂部３ａの外周に排気段部３１．圧縮段部３工！を構成
するロータ質ｂ１．ｂ、を列設し、さらに下方円筒部３
ｂの外周に、第２図に示されるものと同様の第２圧縮段
部３ｍを構成する翼車群（図では２点鎖線Ｅで簡略図示
している）を刻設してなる。すなわち、この第２圧縮段
部３ｍをなす翼車群の詳細は、第３図に示されるように
、ロータ円筒部３ｂの外周にその溝底が排気口側に向け
てテーパをなす２魚類１ｔで表わされる如・く徐々に浅
（なるリング溝ｒ等を凹設しかつその外周から該溝ｒ内
にステータリング、（図示せず）を突設してなるもので
ある。

そして、このロータ３の軸心に該ロータ３を回転するロ
ータシャフト４を固定具（図示せず）をを介し固着して
いる。このロータシャフト４はロータ取付部を除き、そ
れ自身小径短寸のものであって、前記モータハウジング
２の内部で対面する位置に設けたモータ５（モータステ
ータ５ａ。

モータロータ５ｂ）により回転駆動され、Ｌ方のロータ
３に回転力を伝達してロータ３を高速回転するものとな
る。

しかして、このロータシャフト４に回転動力を与えるた
めのモータ５を内蔵しているモータハウジング２の内部
に、前記ロータ３をアキシャル方向に制御可能に軸支す
るスラスト磁気軸受６を設けている一方、前記ロータ３
をラジアル方向に支持するラジアル磁気軸受を該モータ
ハウジング２の外周側に配置して設けるようにしている
。すなわち、因由１０と１１は、モータハウジング外周
壁のロータ内周面３１と対面する部位で、軸方向に間隔
をおいて設置された２軸能動形ラジアル磁気軸受（電磁
石）であって、各々ロータ３のラジアル方向の変位を検
出するラジアルセンサ１２と１３を近傍に付設し、各ロ
ータ３例の、対応するラジアル支持部Ｃｍ板部）１４．
１５と所定の隙間をおいて対設するようにしている。そ
して、これらのラジアル磁気軸受１Ｏ１１１は、それぞ
れの設置平面における直交２軸でロータ３をラジアル方
向に制御可能に磁気浮上刃を午え、前記スラスト磁気軸
受６と共にロータ３を５軸制御可能に支持するものとし
ている。

一方、前記モータハウジング２内に配設されるスラスト
磁気軸受６は、ロータシャフト４の軸端に対向する機械
室底部に該シャフト４の、即ちロータ３のアキシャル方
向の変位を検出するアキシャルセンサ７を付設している
とともに、ロータシャフト４の軸端側に鍔状に設けたス
ラストリング８を所定の隙間をおいて挟持する上下一対
の磁気軸受（電磁石）９．９を対設配置して構成されて
いる。

なお、図中その他１６は、ロータシャフト４を直接軸支
し得るラジアルタッチベアリングであり、１７と１８は
同じくラジアル中スラストタッチベアリングである。

上記の磁気軸受装置を具備してなるＴＭＰであれば、前
述のように軸方向に間隔をおいた２個のラジアル磁気軸
受１０．１１と一対のスラスト磁気軸受６とによりロー
タ３の変位を検知して５軸方向から制御するものである
から非常に精度の高い＠頼性をもった回転系の位置決め
が行な−い得るものとなるが、特に、そのラジアル磁気
軸受１０．１１をモータハウジング２の外周側に配置す
るようにしているため、次のような点で非常に好都合な
ものとなる利点がある。すなわち、このＴＭＰでは、そ
のモータハウジング２に内蔵したモータ５でロータシャ
フト４を回転駆動し、該ロータシャフト４を介してロー
タ３を回転する軸回転方式を採っているものの、この場
合そのロータシャフト４はロータ３に回転力を伝える動
力軸としての役割が主で、ロータ３の軸心を位置決め保
持するために該シャフト４を拘束する必要がない、した
がって、ロータシャフト４は従前のように撓みの防止の
ためそのシャフト径を太くする必要がなく、第２図、第
３図と比較しても明らかとなるように小径でかつ短寸の
もので足りる。このため今までの軸回転方式のものと比
べる回転系の′Ｍ量を大幅に減じることができ、軸振動
並びに回転系の振動問題を一挙に解決することができる
。

また、ラジアル磁気軸受１０．１１をモータハウジング
２内の機械室からその外周のロータ内周面３１と対面す
る部位に配置し、ロータを直接浮上　　　　□支持する
機構だから、機械室内にモータ５と共にそれら配列する
場合のような設置場所の制約を受けず（例えば図示例の
ように、モータハウジング４内外の軸方向同位置にモー
タ５とラジアル磁気軸受１０を配置することができる等
）、ＴＭＰ全体として軸方向の短寸化も図られる。した
がって、このＴＭＰが基本的には構造簡易なる特徴をも
つ軸回転方式の構成を踏襲していることと相まって、ポ
ンプ全体として小型で構造簡易なものとして組立、製作
できる特長がある。加えて、このものでは、そのラジア
ル磁気軸受１０．１１をセンサ１３．１４と共にロータ
内剃面３１に対面したロータ軸心から昇速方位置に設け
ているので、ロータ３の傾動変位に対しより高感度なラ
ジアル方向の制御がなし得るという、従来の軸固定、ロ
ータ回転方式のものが持つ長所も具現することことがで
きることになる。

なお、本発明ではロータ３を７キシヤル方向に浮上支持
するスラスト磁気軸受６の配置は、図示実施例の場合の
ようにモータハウジング２内でロータシャフト４のスラ
ストリング８の軸支を介して行なうものに限らず、ラジ
アル磁気軸受１０．１１と同様、ハウジング２外周でａ
ｍロータ３を浮上支持する構造のものも採用可能である
が、特に実施例のような配置、構成のものであれば、モ
ータハウジング２内のスペースを有効に活用できてその
コンパクト化に奏効するのみならず、シャフト４の軸端
に対する取付、取外しが容易な構造のものであるから該
スラスト磁気軸受６（９，９）の保守、点検等が便利に
なる利点がある。

本発明のＴＭＰ磁気軸受装置は、以上に述べたような構
成のものであるが、この発明では要するにロータを支え
るラジアル磁気軸受（７）、ｆ！ｉ！、置に大きな特徴
を有するものであるから、そのロータの形式や各磁気軸
受の具体的な内容あるいは各センナの種別、さらに各磁
気軸受の制御の方式等は実施例以外のものであってもよ
いし、また本発明の趣旨に影！を与えるものでないこと
は言う迄もない。

［発明の効果１ 以上のように、本発明は従来の軸回転方式に適用されて
いたものと、軸固定、ロータ回転方式に適用されていた
ものの長所のみを兼備し、小型軽￥で構造簡易であると
同時に、ロータおよびロータシャフト等からなる回転系
の振動の問題を的確に解消することができるＴＭＰの磁
気軸受装置を提供することができたものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すＴＭＰ磁気軸受装置の
断面図である。第２図と第３図は共に軸回転方式の比較
例を示すＴＭＰ磁気軸受装置の断面図であり、第２図は
３軸制御力式のものを、第３図は５軸制御力式のものを
示している。第４図は軸固定、ロータ回転方式でかつ５
軸制御力式の比較例を示すＴＭＰ磁気軸受装置の断面図
である。 １争・蟲べ―ス ２・・Φモータハウジング ３８０．ロータ、３１６．・ロータ内周面４・・・ロー
タシャフト ５ａ１１１１モータ ６・・舎スラスト磁気軸受 ７１１Ｉ１１１７キシヤルセンサ ８・・・スラストリング ９・壷・８１気軸受（電磁石）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ロータを該ロータに固着したロータシャフトで回転させ
   るようにしたターボ分子ポンプの磁気軸受装置であって
   、少なくとも前記ロータをラジアル方向に支えるラジア
   ル磁気軸受を、前記ロータシャフトを回転駆動するため
   のモータを内蔵しているモータハウジング外周で前記ロ
   ータの内周面と対面する部位に配設したことを特徴とす
   るターボ分子ポンプの磁気軸受装置。