JP2002286036A - Magnetic bearing apparatus - Google Patents
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- Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)
Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、羽根車等のロータ
を回転駆動するロータシャフトを非接触で５軸に軸支す
る磁気軸受装置に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a magnetic bearing device for supporting a rotor shaft for rotating a rotor such as an impeller around five axes in a non-contact manner.
【０００２】[0002]
【従来の技術】例えば、高速回転するロータにより気体
の排気を行うターボ分子ポンプにあっては、ロータを回
転駆動するロータシャフトを２個のラジアル磁気軸受と
１個のアキシャル磁気軸受とを有する磁気軸受装置で５
軸制御可能に浮上軸支することが広く行われている。2. Description of the Related Art For example, in a turbo-molecular pump in which gas is exhausted by a high-speed rotating rotor, a rotor shaft for rotating the rotor is provided with two radial magnetic bearings and one axial magnetic bearing. 5 with bearing device
It is widely used to support a floating shaft so that the shaft can be controlled.
【０００３】図６は、ラジアル磁気軸受として能動形磁
気軸受を使用した、この種の磁気軸受装置の従来の一般
的な構成を示すもので、この磁気軸受装置は、一端に羽
根車等のロータ１０を固着したロータシャフト１２の回
転を除く５自由度の５軸方向を能動制御するようにした
ものである。FIG. 6 shows a conventional general configuration of this type of magnetic bearing device using an active magnetic bearing as a radial magnetic bearing. This magnetic bearing device has a rotor such as an impeller at one end. The active control is performed in five axes of five degrees of freedom except for the rotation of the rotor shaft 12 to which the rotor 10 is fixed.
【０００４】すなわち、ロータシャフト１２のほぼ中央
には、モータ１４を構成するモータロータ１６が固着さ
れ、ステータ１８の該モータロータ１６と対向する位置
には、モータ１４を構成するモータステータ２０が配置
されている。このモータ１４を挟んでロータシャフト１
２の上下には、ロータ側ラジアル磁気軸受２２と反ロー
タ側ラジアル磁気軸受２４が設けられ、更にその外側に
ロータ側タッチベアリング２６と反ロータ側タッチベア
リング２８が設けられている。そして、ロータシャフト
１２の反ロータ側下端にアキシャル磁気軸受３０が配置
されている。[0004] A motor rotor 16 constituting the motor 14 is fixed substantially at the center of the rotor shaft 12, and a motor stator 20 constituting the motor 14 is arranged at a position of the stator 18 facing the motor rotor 16. I have. With this motor 14 interposed, the rotor shaft 1
A rotor-side radial magnetic bearing 22 and a non-rotor-side radial magnetic bearing 24 are provided above and below the rotor 2, and a rotor-side touch bearing 26 and a non-rotor-side touch bearing 28 are further provided outside thereof. An axial magnetic bearing 30 is disposed at a lower end of the rotor shaft 12 on the side opposite to the rotor.
【０００５】ロータ側ラジアル磁気軸受２２は、ロータ
シャフト１２の互いに対面する被センサ部３２を介して
ロータシャフト１２のラジアル変位を検出するラジアル
変位センサ３４と、ロータシャフト１２の互いに対面す
る被軸受部３６を介してロータシャフト１２をラジアル
方向に支持するラジアル電磁石３８とを有している。そ
して、ラジアル変位センサ３４によるロータシャフト１
２のラジアル変位の検出量に基づき、ラジアル電磁石３
８の磁気力をロータシャフト１２が対向した一対のラジ
アル変位センサ３４の中心付近にくるように制御するよ
うになっている。[0005] The rotor-side radial magnetic bearing 22 includes a radial displacement sensor 34 for detecting the radial displacement of the rotor shaft 12 through a sensor portion 32 of the rotor shaft 12 facing each other, and a bearing portion of the rotor shaft 12 facing each other. And a radial electromagnet 38 that supports the rotor shaft 12 in the radial direction via the same. Then, the rotor shaft 1 is detected by the radial displacement sensor 34.
Radial electromagnet 3 based on the detected amount of radial displacement
8 is controlled so that the rotor shaft 12 comes near the center of a pair of radial displacement sensors 34 opposed to each other.
【０００６】反ロータ側ラジアル磁気軸受２４も同様
に、ロータシャフト１２の被センサ部４０を介してロー
タシャフト１２のラジアル変位を検出するラジアル変位
センサ４２と、ロータシャフト１２の被軸受部４４を介
してロータシャフト１２をラジアル方向に支持するラジ
アル電磁石４６とを有しており、その作用は前述と同様
である。Similarly, the radial magnetic bearing 24 on the side opposite to the rotor also includes a radial displacement sensor 42 for detecting a radial displacement of the rotor shaft 12 through a sensor portion 40 of the rotor shaft 12 and a bearing portion 44 of the rotor shaft 12. And a radial electromagnet 46 for supporting the rotor shaft 12 in the radial direction. The operation is the same as that described above.
【０００７】一方、アキシャル磁気軸受３０は、ロータ
シャフト１２の下端に着脱自在に繋着されるアキシャル
ディスク５０と、このアキシャルディスク５０を介して
ロータシャフト１２のアキシャル変位を検出するアキシ
ャル変位センサ５２と、アキシャルディスク５０を挟ん
で上下に配置されたアキシャル電磁石５４とを有してい
る。そして、アキシャル変位センサ５２によるロータシ
ャフト１２のアキシャル変位の検出量に基づき、アキシ
ャル電磁石５４の磁気力をアキシャルディスク５０が所
定の位置にくるように制御するようになっている。On the other hand, the axial magnetic bearing 30 includes an axial disk 50 detachably connected to the lower end of the rotor shaft 12, an axial displacement sensor 52 for detecting an axial displacement of the rotor shaft 12 via the axial disk 50, and , And an axial electromagnet 54 disposed vertically above and below the axial disk 50. The magnetic force of the axial electromagnet 54 is controlled so that the axial disk 50 comes to a predetermined position based on the amount of axial displacement of the rotor shaft 12 detected by the axial displacement sensor 52.
【０００８】ここで、ロータシャフト１２の径寸法は、
組立上、ロータ側から反ロータ側に向かう程、徐々に小
径となるか、若しくは同じ寸法に設定されている。つま
り、ロータシャフト１２のロータ側タッチベアリング２
６における被支持部５６の外径ｄ１、ロータ側ラジアル
磁気軸受２２における被センサ部３２の外径ｄ２、被軸
受部３６の外径ｄ３、モータロータ１６の外径ｄ４、反
ロータ側ラジアル磁気軸受２４における被軸受部４４の
外径ｄ５、被センサ部４０の外径ｄ６及び反ロータ側タ
ッチベアリング２８における被支持部５８の外径ｄ
７が、（ｄ１≧ｄ２≧ｄ３≧ｄ４≧ｄ５≧ｄ６≧ｄ７）
の関係となるようになっている。この例にあっては、ロ
ータ側タッチベアリング２６における被支持部５６の外
径ｄ１及び反ロータ側タッチベアリング２８における被
支持部５８の外径ｄ７を除くこれらの寸法は全て等しく
（ｄ２＝ｄ３＝ｄ４＝ｄ５＝ｄ６）設定されている。Here, the diameter of the rotor shaft 12 is
Due to the assembling, the diameter gradually decreases or is set to the same size from the rotor side toward the anti-rotor side. That is, the rotor-side touch bearing 2 of the rotor shaft 12
The outer diameter d 1 of the support 56 in 6, the outer diameter d 2, the outer diameter d 3 of the bearing portion 36 of the sensor portion 32 of the rotor side radial magnetic bearing 22, the outer diameter d 4 of the motor rotor 16, the anti-rotor side The outer diameter d 5 of the bearing portion 44 in the radial magnetic bearing 24, the outer diameter d 6 of the sensor portion 40, and the outer diameter d of the supported portion 58 in the non-rotor side touch bearing 28.
7 is (d 1 ≧ d 2 ≧ d 3 ≧ d 4 ≧ d 5 ≧ d 6 ≧ d 7 )
The relationship has become. In this example, all of these dimensions are equal (d 2 except for the outer diameter d 1 of the supported portion 56 in the rotor-side touch bearing 26 and the outer diameter d 7 of the supported portion 58 in the non-rotor-side touch bearing 28. = D 3 = d 4 = d 5 = d 6 ).
【０００９】一方、ロータシャフト１２に対面するよう
に配置されたステータ１８側の各部の内径は、組立上、
ロータから反ロータ側に向かう程、徐々に小径となる
か、若しくは同じ寸法に設定されている。つまり、ロー
タ側タッチベアリング２６の内径Ｄ１、ロータ側ラジア
ル磁気軸受２２のラジアル変位センサ３４の内径Ｄ２、
ラジアル電磁石３８の内径Ｄ３、モータステータ２０の
内径Ｄ４、反ロータ側ラジアル磁気軸受２４のラジアル
電磁石４６の内径Ｄ５、ラジアル変位センサ４２の内径
Ｄ６及び反ロータ側タッチベアリング２８の内径Ｄ
７が、（Ｄ１≧Ｄ２≧Ｄ３≧Ｄ４≧Ｄ５≧Ｄ６≧Ｄ７）
の関係となるようになっている。この例にあっては、ロ
ータ側タッチベアリング２６の内径Ｄ１及び反ロータ側
タッチベアリング２８の内径Ｄ７を除くこれらの寸法は
全て等しく（Ｄ２＝Ｄ３＝Ｄ４＝Ｄ５＝Ｄ６）設定され
ている。On the other hand, the inner diameter of each part on the side of the stator 18 arranged so as to face the rotor shaft 12 is
The diameter gradually decreases or is set to the same size as it goes from the rotor to the side opposite to the rotor. That is, the inner diameter D 1 of the rotor-side touch bearing 26, the inner diameter D 2 of the radial displacement sensor 34 of the rotor-side radial magnetic bearing 22,
The inner diameter D 3 of the radial electromagnet 38, the inner diameter D of the motor inner diameter D 4 of the stator 20, the inner diameter D 5 of the radial electromagnet 46 of the anti-rotor side radial magnetic bearing 24, the inner diameter D 6 and counter-rotor-side touch bearing 28 of the radial displacement sensors 42
7 is (D 1 ≧ D 2 ≧ D 3 ≧ D 4 ≧ D 5 ≧ D 6 ≧ D 7 )
The relationship has become. In the example, all of these dimensions, except the inner diameter D 7 of the inner diameter D 1 and counter-rotor-side touch bearing 28 of the rotor-side touch bearing 26 is equal (D 2 = D 3 = D 4 = D 5 = D 6 ) Is set.
【００１０】なお、組立可能な範囲であれば、Ｄ１＜Ｄ
２の場合もあり得る。このような構成の磁気軸受装置で
ロータシャフトとステータの組立は、ロータシャフトに
ロータを組み付けた状態でロータシャフトとステータの
組立が行われる。Note that D 1 <D as long as assembly is possible.
There may be two cases. When assembling the rotor shaft and the stator in the magnetic bearing device having such a configuration, the rotor shaft and the stator are assembled in a state where the rotor is attached to the rotor shaft.
【００１１】ここで、タッチベアリング２６，２８は、
ロータシャフト１２を磁気軸受２２，２４，３０で支承
しない時に、ロータシャフト１２やモータロータ１６
が、ステータ１８と直接接触しないようにロータシャフ
ト１２を保持する役目がある。このため、磁気軸受２
２，２４，３０の磁気力や、ロータシャフト１２及びモ
ータロータ１６とステータ１８の各部との間の隙間を考
慮して、ロータシャフト１２との間の隙間と位置が設定
されている。また、機能上、ロータシャフト１２とタッ
チベアリング２６，２８の内輪部とのラジアル方向及び
アキシャル方向の隙間は、それぞれの磁気軸受２２，２
４，３０及びモータ１４の隙間より小さく設定されてい
る。厳密には、ロータシャフト１２を磁気軸受２２，２
４，３０で支承させない状態から、各磁気軸受２２，２
４，３０で支承する際の立ち上げのため、またはロータ
シャフト１２のバランスが崩れたときの条件や、ロータ
シャフト１２の回転の負荷が増大したときの条件等を考
慮して設定されている。Here, the touch bearings 26, 28
When the rotor shaft 12 is not supported by the magnetic bearings 22, 24, and 30, the rotor shaft 12 and the motor rotor 16 are not supported.
However, it has a function of holding the rotor shaft 12 so as not to come into direct contact with the stator 18. Therefore, the magnetic bearing 2
The gap and the position between the rotor shaft 12 and the rotor shaft 12 are set in consideration of the magnetic forces 2, 24 and 30 and the gap between the rotor shaft 12 and the motor rotor 16 and each part of the stator 18. Also, functionally, the radial and axial gaps between the rotor shaft 12 and the inner races of the touch bearings 26, 28 are respectively equal to the magnetic bearings 22, 2.
The gap is set smaller than the gap between the motors 4 and 30 and the motor 14. Strictly speaking, the rotor shaft 12 is mounted on the magnetic bearings 22 and 2.
From the state where the bearings are not supported by the magnetic bearings 4 and 30, the respective magnetic bearings 22 and 2
The setting is made in consideration of conditions for starting up at the time of supporting at 4, 30 or when the balance of the rotor shaft 12 is lost, conditions when the rotation load of the rotor shaft 12 is increased, and the like.
【００１２】なお、この例では、ラジアル磁気軸受とし
て、能動形磁気軸受を使用した例を示しているが、永久
磁石等を用いた受動形磁気軸受で４軸方向の任意の軸数
を支承することも広く行われている。In this example, an active magnetic bearing is used as the radial magnetic bearing, but a passive magnetic bearing using a permanent magnet or the like supports an arbitrary number of shafts in four directions. It is also widely practiced.
【００１３】このような磁気軸受装置において、ロータ
側タッチベアリング２６の内径Ｄ１と被支持部５６の外
径ｄ１との間の隙間（Ｄ１−ｄ１）、ロータ側ラジアル
磁気軸受２２のラジアル変位センサ３４の内径Ｄ２と被
センサ部３２の外径ｄ２との間の隙間（Ｄ２−ｄ２）、
ラジアル電磁石３８の内径Ｄ３と被軸受部３６の外径ｄ
３との間の隙間（Ｄ３−ｄ３）、モータステータ２０の
内径Ｄ４とモータロータ１６の外径ｄ４との間の隙間
（Ｄ４−ｄ４）、反ロータ側ラジアル磁気軸受２４のラ
ジアル電磁石４６の内径Ｄ５と被軸受部４４の外径ｄ５
との間の隙間（Ｄ ５−ｄ５）、ラジアル変位センサ４２
の内径Ｄ６と被センサ部４０の外径ｄ６との間の隙間
（Ｄ６−ｄ６）及び反ロータ側タッチベアリング２８の
内径Ｄ７と被支持部５８の外径ｄ７との間の隙間（Ｄ７
−ｄ７）は、それぞれ性能・機能を考慮して、非常に微
小な寸法（約０．１〜０．５ｍｍ）に設定されている。In such a magnetic bearing device, the rotor
Inner diameter D of side touch bearing 261And outside the supported portion 56
Diameter d1Gap (D1-D1), Rotor side radial
Inner diameter D of radial displacement sensor 34 of magnetic bearing 222And received
Outer diameter d of sensor part 322Gap (D2-D2),
Inner diameter D of radial electromagnet 383And the outer diameter d of the bearing portion 36
3Gap (D3-D3), The motor stator 20
Inner diameter D4And the outer diameter d of the motor rotor 164The gap between
(D4-D4), The radial magnetic bearing 24 on the non-rotor side.
Inner diameter D of dial electromagnet 465And the outer diameter d of the bearing portion 445
Gap (D 5-D5), Radial displacement sensor 42
Inner diameter D6And the outer diameter d of the sensor part 406The gap between
(D6-D6) And the non-rotor side touch bearing 28
Inner diameter D7And the outer diameter d of the supported portion 587Gap (D7
-D7) Is very fine considering the performance and function of each
It is set to a small size (about 0.1 to 0.5 mm).
【００１４】また、加工や組立等の生産性の観点から、
前述のように、ロータシャフト１２側の磁気軸受部やモ
ータ部の外径（ｄ２〜ｄ６）を同径として、これらに対
面するステータ１８側の各部の内径（Ｄ２〜Ｄ６）を同
径に構成するのが一般的である。これによって、ステー
タ側の各部の内径（Ｄ２〜Ｄ６）とロータシャフト側の
各部の外径（ｄ２〜ｄ６）との間の隙間（Ｄ２−ｄ２〜
Ｄ６−ｄ６）は一定となり、また、これら隙間（Ｄ２−
ｄ２〜Ｄ６−ｄ６）が、タッチベアリング２６，２８の
内径Ｄ１，Ｄ７とロータシャフト１２の被支持部５６，
５８の外径ｄ１，ｄ７との間の隙間、いわゆるタッチベ
アリング隙間（Ｄ１−ｄ１，Ｄ７−ｄ７）より大きくな
るように設定されている。Further, from the viewpoint of productivity such as processing and assembly,
As described above, the outer diameters (d 2 to d 6 ) of the magnetic bearing portion and the motor portion on the rotor shaft 12 side are set to be the same diameter, and the inner diameters (D 2 to D 6 ) of the respective portions on the stator 18 side facing these. It is common to have the same diameter. Thereby, the gap (D 2 −d 2 ) between the inner diameter (D 2 to D 6 ) of each part on the stator side and the outer diameter (d 2 to d 6 ) of each part on the rotor shaft side is obtained.
D 6 -d 6 ) is constant, and these gaps (D 2 -d 6 )
d 2 to D 6 -d 6 ) are the inner diameters D 1 , D 7 of the touch bearings 26, 28 and the supported portion 56 of the rotor shaft 12,
58 a gap between the outer diameter d 1, d 7 of, is set to be larger than the so-called touch bearing gap (D 1 -d 1, D 7 -d 7).
【００１５】一方、ロータシャフト１２のラジアル磁気
軸受部における各部の外径（ｄ２〜ｄ６）が同径でない
場合でも、組立上、前述のように、これらの外径が（ｄ
２＞ｄ３＞ｄ４＞ｄ５＞ｄ６ ）なる条件で構成される
場合には、磁気軸受部やモータ部におけるロータとステ
ータとの間の各隙間が一定となるように、ステータ側の
各部の内径も（Ｄ２＞Ｄ３＞Ｄ４＞Ｄ５＞Ｄ６）なる関
係で構成されるのが一般的である。これは、タッチベア
リング隙間（Ｄ１−ｄ１，Ｄ７−ｄ７）と、ラジアル磁
気軸受部やモータ部におけるロータシャフト側の各部の
外径とステータ側の各部の内径との間の隙間（Ｄ２−ｄ
２〜Ｄ６−ｄ６）の差を一定に保ち、ロータシャフト１
２をタッチベアリング２６，２８で支持した時にロータ
シャフト１２とステータ１８とが接触しないようにする
ための、いわゆる“ニゲ”を任意の箇所で同一にすると
いう考えによる。On the other hand, even if the outer diameters (d 2 to d 6 ) of the respective portions of the radial magnetic bearing portion of the rotor shaft 12 are not the same, as described above, these outer diameters are (d 2 -d 6 ) in terms of assembly.
2 > d 3 > d 4 > d 5 > d 6 ), the stator side of the magnetic bearing portion or the motor portion is fixed so that each gap between the rotor and the stator is constant. It is general that the inner diameter of each part also has a relationship of (D 2 > D 3 > D 4 > D 5 > D 6 ). This is because the gap between the touch bearing gap (D 1 -d 1 , D 7 -d 7 ) and the gap between the outer diameter of each part on the rotor shaft side and the inner diameter of each part on the stator side in the radial magnetic bearing part and the motor part ( D 2 -d
2 to D 6 -d 6 ), and the rotor shaft 1
This is based on the idea that a so-called "knife" for preventing the rotor shaft 12 and the stator 18 from contacting each other when they are supported by the touch bearings 26 and 28 is the same at an arbitrary position.
【００１６】ここで、最近の磁気軸受技術の発展は目覚
ましく、耐熱性が高くかつ大電流容量のコイル巻線の開
発や、電磁石や誘導型センサのコアになる磁性材料の改
良等により、電磁石の改良や変位センサの改良が図られ
る一方、永久磁石の改良も行われている。これにより、
隙間を従来のままで能力を大幅に向上させた磁気軸受が
開発されている。Here, the recent development of magnetic bearing technology is remarkable, and the development of coil windings having high heat resistance and a large current capacity and the improvement of magnetic materials used as cores of electromagnets and inductive sensors have been promoted. While improvements and improvements in displacement sensors have been made, improvements have been made to permanent magnets. This allows
Magnetic bearings have been developed in which the gap has been improved and the performance has been greatly improved.
【００１７】また、モータ部においては、力率改善回路
の採用や、誘導型から効率のよい直流型モータの採用に
よる効率の改良が行われているが、近年の真空ポンプに
対する要求、すなわち、高い圧力での運転、多くの
ガス量の排気、ポンプのコンパクト化、を実現させる
ためには、モータ部の性能向上が必須である。特に近
年、ターボ分子ポンプのコンパクト化と性能向上を図る
ために、ロータシャフトを極力細くするようになってい
る。こうすれば、磁気軸受部やロータ（羽根車）をコン
パクト化することができる。In the motor section, the efficiency has been improved by adopting a power factor improving circuit or by employing an efficient type DC motor instead of an induction type. In order to realize operation at pressure, exhaust of a large amount of gas, and downsizing of the pump, it is essential to improve the performance of the motor unit. In particular, in recent years, the rotor shaft has been made as thin as possible in order to reduce the size and improve the performance of the turbo molecular pump. In this case, the magnetic bearing portion and the rotor (impeller) can be made compact.
【００１８】[0018]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、モータ
の性能は、モータのロータとステータとの対面部の面積
やロータとステータとの間の隙間等の設計パラメータに
よるところが大きい。このため、ロータシャフトを細く
すると必然的にモータ部の軸方向寸法、ひいてはロータ
シャフトの軸方向寸法を大きくとる必要があり、それに
伴い、ポンプが大きく（長く）なって、コンパクト化の
障害になるという問題があった。またモータ部における
ロータとステータとの間の隙間は、前述のように、磁気
軸受部におけるロータとステータとの間の隙間と同一に
設定されていたため、モータの効率が悪く、モータを駆
動させるためのモータドライバも大きくなってしまうと
いう問題があった。However, the performance of the motor largely depends on design parameters such as the area of the facing portion between the rotor and the stator of the motor and the gap between the rotor and the stator. For this reason, if the rotor shaft is made thinner, it is necessary to increase the axial dimension of the motor part, and hence the axial dimension of the rotor shaft, and the pump becomes larger (longer), which hinders downsizing. There was a problem. Further, since the gap between the rotor and the stator in the motor section is set to be the same as the gap between the rotor and the stator in the magnetic bearing section as described above, the efficiency of the motor is poor and the motor is driven. There is a problem that the motor driver becomes large.
【００１９】本発明は、上記事情に鑑みて為されたもの
で、磁気軸受と一体になったモータのコンパクト化を図
りつつモータとしての効率と性能を向上させ、これによ
って、ポンプ等の磁気軸受装置を組み込んだ製品や、そ
れを駆動及び制御するコントローラのコンパクト化を実
現できるようにした磁気軸受装置を提供することを目的
とする。The present invention has been made in view of the above circumstances, and improves the efficiency and performance as a motor while reducing the size of a motor integrated with a magnetic bearing. It is an object of the present invention to provide a magnetic bearing device capable of realizing a product incorporating the device and a compact controller for driving and controlling the device.
【００２０】[0020]
【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、モータロータと一体に回転するロータシャフトを２
個のラジアル磁気軸受と１個のアキシャル磁気軸受によ
り浮上軸支した５軸形磁気軸受装置において、前記ラジ
アル磁気軸受の少なくとも１つとして能動形磁気軸受を
使用し、前記モータロータの外径と該モータロータと対
面するモータステータの内径との間の隙間を、前記能動
形磁気軸受のラジアル変位センサの内径と該変位センサ
に対面するロータシャフトの被センサ部の外径との間の
隙間、または前記能動形磁気軸受のラジアル電磁石の内
径と該電磁石に対面するロータシャフトの被軸受部の外
径との間の隙間の少なくとも一方より小さく設定したこ
とを特徴とする磁気軸受装置である。According to the first aspect of the present invention, a rotor shaft that rotates integrally with a motor rotor is provided with two rotor shafts.
In a five-shaft magnetic bearing device supported by a floating magnetic bearing with one radial magnetic bearing and one axial magnetic bearing, an active magnetic bearing is used as at least one of the radial magnetic bearings, and an outer diameter of the motor rotor and the motor rotor The gap between the inner diameter of the radial displacement sensor of the active magnetic bearing and the outer diameter of the sensor part of the rotor shaft facing the displacement sensor, or A magnetic bearing device characterized in that it is set to be smaller than at least one of a gap between an inner diameter of a radial electromagnet of the shaped magnetic bearing and an outer diameter of a bearing portion of a rotor shaft facing the electromagnet.
【００２１】これにより、モータの効率を向上させて、
モータ部及び／又はモータドライバ部のコンパクト化を
図り、結果的に磁気軸受装置全体のコンパクト化を実現
することができる。As a result, the efficiency of the motor is improved,
The motor unit and / or the motor driver unit can be made compact, and as a result, the whole magnetic bearing device can be made compact.
【００２２】つまり、モータのロータとステータとの間
の隙間での磁束密度とモータで発生するトルクには次の
ような関係がある。 Ｔ＝Ｋ１・Ｂ・Ｉ ここに、Ｔ：モータで発生するトルク Ｋ１：係数 Ｂ：ロータとステータとの間の隙間での磁束密度 Ｉ：モータステータ巻線部の電流 また、ロータとステータ間の磁束密度とロータとステー
タとの間の隙間には次のような関係がある。 Ｂ＝Ｋ２／δ ここに、Ｋ２：係数、 δ：ロータとステータの隙間 従って、モータのロータとステータとの間の隙間を可及
的に小さく設定することにより、モータで発生するトル
クを大きくすることができる。That is, the following relationship exists between the magnetic flux density in the gap between the rotor and the stator of the motor and the torque generated by the motor. T = K 1 · B · I where T: torque generated by the motor K 1 : coefficient B: magnetic flux density in the gap between the rotor and the stator I: current in the winding of the motor stator Also, the rotor and the stator The following relationship exists between the magnetic flux density between them and the gap between the rotor and the stator. B = K 2 / δ where K 2 : coefficient, δ: gap between rotor and stator Therefore, by setting the gap between the rotor and the stator of the motor as small as possible, the torque generated by the motor can be reduced. Can be bigger.
【００２３】請求項２に記載の発明は、前記ロータシャ
フトに真空ポンプのロータを連結したことを特徴とする
請求項１に記載の磁気軸受装置である。これにより、特
に、真空ポンプの軸方向寸法（高さ寸法）を小さくし
て、真空ポンプのコンパクト化を図るとともに、ポンプ
の運転可能範囲（ポンプの許容排気ガス量やポンプの運
転可能圧力の範囲）を広くとることができる。According to a second aspect of the present invention, there is provided the magnetic bearing device according to the first aspect, wherein a rotor of a vacuum pump is connected to the rotor shaft. Thereby, in particular, the axial dimension (height dimension) of the vacuum pump is reduced to reduce the size of the vacuum pump, and the operable range of the pump (the allowable exhaust gas amount of the pump and the operable pressure range of the pump) ) Can be widened.
【００２４】[0024]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図１
乃至図５を参照して説明する。なお、図６に示す従来例
と同一部材には同一符号を付してその説明を一部省略す
る。FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention.
This will be described with reference to FIGS. The same members as those in the conventional example shown in FIG. 6 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is partially omitted.
【００２５】図１及び図２は、図６に示す従来例と同様
に、ラジアル磁気軸受として能動形磁気軸受を使用した
本発明の第１の第１の実施の形態の磁気軸受装置を示
す。これは、ロータシャフト１２側の各部にあっては、
ロータシャフト１２のロータ側タッチベアリング２６に
おける被支持部５６の外径ｄ１、ロータ側ラジアル磁気
軸受２２における被センサ部３２の外径ｄ２、被軸受部
３６の外径ｄ３、反ロータ側ラジアル磁気軸受２４にお
ける被軸受部４４の外径ｄ５、被センサ部４０の外径ｄ
６及び反ロータ側タッチベアリング２８における被支持
部５８の外径ｄ７が、（ｄ１≧ｄ２≧ｄ３≧ｄ５≧ｄ６
≧ｄ７）の関係となるようになっている。この例にあっ
ては、ロータ側タッチベアリング２６における被支持部
５６の外径ｄ１及び反ロータ側タッチベアリング２８に
おける被支持部５８の外径ｄ７を除くこれらの寸法は全
て等しく（ｄ２＝ｄ３＝ｄ５＝ｄ６）設定されている。
そして、モータロータ１６の外径ｄ４がこれらの外径よ
りも大きく（ｄ４＞ｄ２＝ｄ ３＝ｄ５＝ｄ６）設定され
ている。FIGS. 1 and 2 are similar to the conventional example shown in FIG.
Used active magnetic bearings as radial magnetic bearings
1 shows a magnetic bearing device according to a first embodiment of the present invention.
You. This means that in each part on the rotor shaft 12 side,
To the rotor side touch bearing 26 of the rotor shaft 12
Diameter d of the supported part 561, Rotor side radial magnetism
Outer diameter d of sensor part 32 in bearing 222, Bearing part
Outer diameter d of 363To the radial magnetic bearing 24 on the non-rotor side.
Outer diameter d of the bearing portion 445, The outer diameter d of the sensor section 40
6And supported by the non-rotor side touch bearing 28
Outer diameter d of part 587Is (d1≧ d2≧ d3≧ d5≧ d6
≧ d7). In this example
Supported portion of the rotor-side touch bearing 26
Outer diameter d of 561And on the non-rotor side touch bearing 28
Outer diameter d of the supported part 587These dimensions except for
And equal (d2= D3= D5= D6) Is set.
And the outer diameter d of the motor rotor 164Are these outer diameters
Large (d4> D2= D 3= D5= D6) Set
ing.
【００２６】一方、ステータ１８側の各部にあっては、
ロータ側ラジアル磁気軸受２２のラジアル変位センサ３
４の内径Ｄ２、ラジアル電磁石３８の内径Ｄ３、モータ
ステータ２０の内径Ｄ４、反ロータ側ラジアル磁気軸受
２４のラジアル電磁石４６の内径Ｄ５及びラジアル変位
センサ４２の内径Ｄ６が等しく、ロータ側タッチベアリ
ング２６の内径Ｄ１が等しいか又は大きく、反ロータ側
タッチベアリング２８の内径Ｄ７のみが小径となる（Ｄ
１≧Ｄ２＝Ｄ３＝Ｄ４＝Ｄ５＝Ｄ６＞Ｄ７）ように設定
されている。On the other hand, in each part on the stator 18 side,
Radial displacement sensor 3 of rotor-side radial magnetic bearing 22
4 inside diameter D 2, the inner diameter D 3 of the radial electromagnet 38, the inner diameter D 4 of the motor stator 20, the inner diameter D 6 of the inner diameter D 5 and the radial displacement sensors 42 of the radial electromagnet 46 of the anti-rotor side radial magnetic bearing 24 are equal, the rotor or larger inner diameter D 1 of the side touch the bearing 26 are equal, only the inner diameter D 7 of the anti-rotor-side touch the bearing 28 is small (D
1 ≧ D 2 = D 3 = D 4 = D 5 = D 6 > D 7 ).
【００２７】これにより、ロータ側ラジアル磁気軸受２
２のラジアル変位センサ３４の内径Ｄ２と被センサ部３
２の外径ｄ２との間の隙間（Ｄ２−ｄ２）、ラジアル電
磁石３８の内径Ｄ３と被軸受部３６の外径ｄ３との間の
隙間（Ｄ３−ｄ３）、反ロータ側ラジアル磁気軸受２４
のラジアル電磁石４６の内径Ｄ５と被軸受部４４の外径
ｄ５との間の隙間（Ｄ５−ｄ５）、ラジアル変位センサ
４２の内径Ｄ６と被センサ部４０の外径ｄ６との間の隙
間（Ｄ６−ｄ６）は等しく（Ｄ２−ｄ２＝Ｄ３−ｄ３＝
Ｄ５−ｄ５＝Ｄ６−ｄ６）、モータステータ２０の内径
Ｄ４とモータロータ１６の外径ｄ４との間の隙間（Ｄ４
−ｄ４）はこれらの隙間よりも小さくなる（Ｄ４−ｄ４
＜Ｄ２−ｄ２＝Ｄ３−ｄ３＝Ｄ５−ｄ５＝Ｄ６−ｄ６）
ようになっている。Thus, the rotor side radial magnetic bearing 2
The inner diameter D 2 of the second radial displacement sensors 34 and the sensor portion 3
2, a gap (D 2 −d 2 ) between the outer diameter d 2 of the radial electromagnet 38 and a gap (D 3 −d 3 ) between the inner diameter D 3 of the radial electromagnet 38 and the outer diameter d 3 of the bearing portion 36. Rotor-side radial magnetic bearing 24
The inner diameter D 5 of the radial electromagnet 46 the clearance between the outer diameter d 5 of the bearing portion 44 (D 5 -d 5), the inner diameter D 6 of the radial displacement sensors 42 and the outer diameter d 6 of the sensor unit 40 (D 6 −d 6 ) are equal (D 2 −d 2 = D 3 −d 3 =
D 5 −d 5 = D 6 −d 6 ), a gap (D 4) between the inner diameter D 4 of the motor stator 20 and the outer diameter d 4 of the motor rotor 16.
−d 4 ) is smaller than these gaps (D 4 −d 4).
<D 2 -d 2 = D 3 -d 3 = D 5 -d 5 = D 6 -d 6)
It has become.
【００２８】この寸法差（（Ｄ２−ｄ２）−（Ｄ４−ｄ
４））は、数μｍ〜数１００μｍで好ましくは５μｍ〜
１００μｍ、更に好ましくは５μｍ〜５０μｍに設定さ
れているが、直径で５μｍ以上あれば性能及び機能上、
十分である。This dimensional difference ((D 2 −d 2 ) − (D 4 −d
4 )) is several μm to several hundred μm, preferably 5 μm to
It is set to 100 μm, and more preferably 5 μm to 50 μm.
It is enough.
【００２９】なお、ロータ側タッチベアリング２６の内
径Ｄ１と被支持部５６の外径ｄ１との間の隙間（Ｄ１−
ｄ１）及び反ロータ側タッチベアリング２８の内径Ｄ７
と被支持部５８の外径ｄ７との間の隙間（Ｄ７−ｄ７）
はほぼ等しく、前述の各隙間より小さく（Ｄ１−ｄ１≒
Ｄ７−ｄ７＜Ｄ２−ｄ２，Ｄ３−ｄ３，Ｄ４−ｄ４，Ｄ
５−ｄ５，Ｄ６−ｄ６）設定されている。これによっ
て、タッチベアリング２６，２８がその機能を満たすよ
うになっている。このタッチベアリング部における隙間
は、例えば０．１〜０．２ｍｍ（Ｄ１−ｄ１＝Ｄ７−ｄ
７＝０．１〜０．２ｍｍ）程度であり、せいぜい１ｍｍ
以下である。A gap (D 1 −1) between the inner diameter D 1 of the rotor-side touch bearing 26 and the outer diameter d 1 of the supported portion 56.
d 1 ) and the inner diameter D 7 of the non -rotor side touch bearing 28
(D 7 −d 7 ) between the gap and the outer diameter d 7 of the supported portion 58
Are substantially equal and smaller than the above-mentioned gaps (D 1 −d 1 ≒).
D 7 -d 7 <D 2 -d 2, D 3 -d 3, D 4 -d 4, D
5 -d 5, D 6 -d 6 ) are set. Thereby, the touch bearings 26 and 28 satisfy the function. The gap in the touch bearing portion is, for example, 0.1 to 0.2 mm (D 1 -d 1 = D 7 -d
7 = 0.1-0.2 mm), and at most 1 mm
It is as follows.
【００３０】このように、モータステータ２０の内径Ｄ
４とモータロータ１６の外径ｄ４との間の隙間（Ｄ４−
ｄ４）を、ラジアル磁気軸受２２，２４における各隙間
よりも小さく（Ｄ４−ｄ４＜Ｄ２−ｄ２＝Ｄ３−ｄ３＝
Ｄ５−ｄ５＝Ｄ６−ｄ６）設定することで、モータ１４
の隙間（Ｄ４−ｄ４）を可及的に小さく設定でき、これ
によって、モータの効率及び性能を向上させることがで
き、磁気軸受装置や、それを運転制御するためのコント
ローラ等をコンパクトにすることができる。ここで、ロ
ータシャフト１２側の各部の外径（ｄ１〜ｄ７）及びス
テータ１８側の各部の内径（Ｄ１〜Ｄ７）は、具体的に
は、約２０〜６０ｍｍ程度であり、数１０ｍｍから数１
００ｍｍまで適応できる。As described above, the inner diameter D of the motor stator 20 is
4 and the outer diameter d 4 of the motor rotor 16 (D 4 −
d 4 ) is smaller than each gap in the radial magnetic bearings 22 and 24 (D 4 −d 4 <D 2 −d 2 = D 3 −d 3 =
D 5 −d 5 = D 6 −d 6 ).
(D 4 −d 4 ) can be set as small as possible, whereby the efficiency and performance of the motor can be improved, and the magnetic bearing device and a controller for controlling the operation thereof can be made compact. can do. Here, the outer diameter of each portion of the rotor shaft 12 side (d 1 ~d 7) and the stator 18 side of each part of the inner diameter (D 1 ~D 7) is specifically an about 20 to 60 mm, the number Number 1 from 10mm
Can be applied up to 00 mm.
【００３１】この実施の形態における磁気軸受装置の具
体的寸法（基準寸法）は、以下の通りである。この寸法
は、あくまでも一例であり、これに限定されないことは
勿論である。 Ｄ１＝３２ｍｍ Ｄ２＝Ｄ３＝Ｄ４＝Ｄ５＝Ｄ６＝３０ｍｍ Ｄ７＝２５ｍｍ ｄ１＝３１．８ｍｍ ｄ２＝ｄ３＝ｄ５＝ｄ６＝２９．７ｍｍ ｄ４＝２９．７２ｍｍ ｄ７＝２４．８ｍｍ なお、ラジアル磁気軸受２２，２４における前記各隙間
（Ｄ２−ｄ２，Ｄ３−ｄ３，Ｄ５−ｄ５，Ｄ６−ｄ６）
の大きさには一定の制限があり、この隙間を小さくでき
ない。これは、以下の理由による。The specific dimensions (reference dimensions) of the magnetic bearing device according to this embodiment are as follows. This dimension is merely an example, and is of course not limited to this. D 1 = 32 mm D 2 = D 3 = D 4 = D 5 = D 6 = 30 mm D 7 = 25 mm d 1 = 31.8 mm d 2 = d 3 = d 5 = d 6 = 29.7 mm d 4 = 29. 72 mm d 7 = 24.8 mm Note that each of the gaps (D 2 -d 2 , D 3 -d 3 , D 5 -d 5 , D 6 -d 6 ) in the radial magnetic bearings 22, 24.
There is a certain limit on the size of the gap, and this gap cannot be reduced. This is for the following reason.
【００３２】すなわち、磁気軸受２２，２４，３０が作
動していない時、ロータシャフト１２はタッチベアリン
グ２６，２８にタッチしている状態にある。つまり、地
面に対してポンプを縦置きにした場合、図２（ｂ）に示
すように、モータ１４を中心にしてロータシャフト１２
がタッチベアリング２６，２８に対して斜めに接触す
る。モータ１４は、ロータシャフト１２のほぼ中心にあ
り、ロータシャフト１２が斜めになって、ロータシャフ
ト１２とステータ１８との間の隙間が減少しても、この
影響を受けにくい。すなわち、ロータシャフト１２が斜
めになると、ロータシャフト１２の上側及び下側でロー
タシャフト１２とステータ１８との間の隙間ａ，ｃが減
少するが、モータロータ１６とモータステータ２０との
間に隙間ｂは、それ程減少しない。That is, when the magnetic bearings 22, 24, 30 are not operating, the rotor shaft 12 is in a state of touching the touch bearings 26, 28. In other words, when the pump is placed vertically on the ground, as shown in FIG.
Contact the touch bearings 26 and 28 obliquely. The motor 14 is located substantially at the center of the rotor shaft 12. Even if the rotor shaft 12 is inclined and the gap between the rotor shaft 12 and the stator 18 is reduced, the motor 14 is less likely to be affected by this. That is, when the rotor shaft 12 is inclined, the gaps a and c between the rotor shaft 12 and the stator 18 decrease above and below the rotor shaft 12, but the gap b between the motor rotor 16 and the motor stator 20 decreases. Does not decrease so much.
【００３３】また、ロータシャフト１２のバランスが崩
れた場合、ロータシャフト１２を所定位置に保持しよう
として、ラジアル電磁石３８，４６のステータ側巻線に
電流が多く流れる状態になる。これにより、ラジアル電
磁石３８，４６のステータ側のコアが昇温され、輻射に
よってラジアル電磁石３８，４６のロータシャフト側も
昇温される。また、ステータ側の電流増大により、ロー
タシャフト１２の渦電流も増大し、より一層昇温され
る。これにより、ラジアル電磁石３８，４６のロータシ
ャフト部が熱膨張し、ロータシャフト１２とステータ１
８の間の隙間が減少もしくはなくなる。When the balance of the rotor shaft 12 is lost, a large amount of current flows through the stator windings of the radial electromagnets 38 and 46 in an attempt to hold the rotor shaft 12 at a predetermined position. As a result, the cores of the radial electromagnets 38, 46 on the stator side are heated, and the radiation also increases the temperature of the radial electromagnets 38, 46 on the rotor shaft side. Further, due to the increase in the current on the stator side, the eddy current of the rotor shaft 12 also increases, and the temperature is further increased. As a result, the rotor shaft portions of the radial electromagnets 38 and 46 thermally expand, and the rotor shaft 12 and the stator 1
8 is reduced or eliminated.
【００３４】一方、磁気軸受装置は、高速回転体を支持
するものとして一般的に使用されており、高速回転する
ロータシャフト１２をタッチベアリング２６，２８で支
持した場合、タッチベアリング２６，２８は激しく損傷
を受ける。その結果、タッチベアリング２６，２８のガ
タ（外輪、転動体、内輪の相対的変位）が増大し、タッ
チベアリング２６，２８がロータシャフト１２を支持し
ても、ロータシャフト１２とステータ１８との間の隙間
を確保できなくなり、直接接触する可能性がある。な
お、タッチベアリングの改良は行われているが、ロータ
シャフトが高速回転（定格回転数付近）でタッチダウン
した場合には、タッチベアリングの損傷が激しく、５〜
１０回程度の耐久性しかないのが現状である。On the other hand, the magnetic bearing device is generally used to support a high-speed rotating body. When the rotor shaft 12 rotating at a high speed is supported by the touch bearings 26 and 28, the touch bearings 26 and 28 are violent. Get damaged. As a result, the play of the touch bearings 26 and 28 (relative displacement of the outer ring, the rolling element, and the inner ring) increases, and even if the touch bearings 26 and 28 support the rotor shaft 12, the gap between the rotor shaft 12 and the stator 18 is increased. Gap cannot be secured, and direct contact may occur. Although the touch bearing has been improved, if the rotor shaft touches down at high speed rotation (around the rated speed), the touch bearing is severely damaged,
At present, the durability is only about 10 times.
【００３５】上記の理由により、ラジアル磁気軸受２
２，２４における前記各隙間（Ｄ２−ｄ２，Ｄ３−
ｄ３，Ｄ５−ｄ５，Ｄ６−ｄ６）を小さくすると、磁気
軸受部でロータシャフト１２がステータ１８に接触して
しまう可能性がある。このため、この隙間として、一定
の大きさを確保する必要がある。For the above reason, the radial magnetic bearing 2
The gaps (D 2 −d 2 , D 3 −
If d 3 , D 5 -d 5 , D 6 -d 6 ) is reduced, the rotor shaft 12 may come into contact with the stator 18 at the magnetic bearing portion. For this reason, it is necessary to secure a certain size as this gap.
【００３６】また、タッチベアリング２６，２８が損傷
を受けると、この損傷による破片などの異物が生じる。
この異物がロータシャフト１２とステータ１８との間の
微小な隙間に入り込むとロータシャフト１２とステータ
１８がロックしてしまう可能性がある。しかし、この例
のように、異物を発生しやすいタッチベアリング２６，
２８の近傍、すなわち、ラジアル磁気軸受部における隙
間をモータ部における隙間と比較して大きく設定するこ
とにより、異物によるロータシャフト１２のロックの可
能性を低減することができる。When the touch bearings 26 and 28 are damaged, foreign matters such as fragments are generated by the damage.
If the foreign matter enters a minute gap between the rotor shaft 12 and the stator 18, the rotor shaft 12 and the stator 18 may be locked. However, as in this example, the touch bearings 26,
By setting the gap in the vicinity of 28, that is, the gap in the radial magnetic bearing portion to be larger than the gap in the motor portion, it is possible to reduce the possibility of locking of the rotor shaft 12 due to foreign matter.
【００３７】また、実際に異物が隙間に入り込んだ時で
も、モータ部における微小な隙間へ異物が侵入する前に
ラジアル磁気軸受部で粉砕してしまい、異物を小さくし
てしまうので、モータ部でロックする可能性を非常に低
くすることができる。Further, even when foreign matter actually enters the gap, the foreign matter is crushed by the radial magnetic bearing portion before entering the minute gap in the motor portion, and the foreign matter is reduced. The possibility of locking can be very low.
【００３８】なお、この実施の形態では、モータステー
タ２０の内径Ｄ４とモータロータ１６の外径ｄ４との間
の隙間（Ｄ４−ｄ４）を、ラジアル磁気軸受２２，２４
における各隙間よりも小さく（Ｄ４−ｄ４＜Ｄ２−ｄ２
＝Ｄ３−ｄ３＝Ｄ５−ｄ５＝Ｄ６−ｄ６）するため、モ
ータロータ１６の外径ｄ４をロータシャフト１２側のラ
ジアル磁気軸受２２，２４における各外径（ｄ２，
ｄ３，ｄ５，ｄ６）より大きくしているが、これらの外
径を全て等しく（ｄ２＝ｄ３＝ｄ４＝ｄ５＝ｄ６）設定
し、モータステータ２０の内径Ｄ４をステータ側のラジ
アル磁気軸受２２，２４における各内径よりも小さく
（Ｄ４＜Ｄ２＝Ｄ３＝Ｄ５＝Ｄ６）するようにしてもよ
い。In this embodiment, the gap (D 4 −d 4 ) between the inner diameter D 4 of the motor stator 20 and the outer diameter d 4 of the motor rotor 16 is defined by the radial magnetic bearings 22, 24.
(D 4 −d 4 <D 2 −d 2)
= D 3 −d 3 = D 5 −d 5 = D 6 −d 6 ), the outer diameter d 4 of the motor rotor 16 is changed to the respective outer diameters (d 2 , d 2) of the radial magnetic bearings 22 and 24 on the rotor shaft 12 side.
d 3 , d 5 , d 6 ), but these outer diameters are all set equal (d 2 = d 3 = d 4 = d 5 = d 6 ), and the inner diameter D 4 of the motor stator 20 is set. The inner diameters of the radial magnetic bearings 22 and 24 on the stator side may be smaller (D 4 <D 2 = D 3 = D 5 = D 6 ).
【００３９】図３は、図１に示す磁気軸受装置をターボ
分子ポンプに適用した例を示す。このターボ分子ポンプ
のロータシャフト１２の上端には、回転翼６０とねじ溝
部６２とを有するロータ（羽根車）６４が固着されてい
る。そして、ポンプケーシング６６の内面には、回転翼
６０と交互に固定翼６８が配置され、これによって、高
速回転する回転翼６０と静止している固定翼６８の相互
作用によって排気を行う翼排気部Ｌ１が構成されてい
る。また、ねじ溝部６２の外周を囲むようにねじ溝部ス
ペーサ７０が配置され、これによって、高速回転するね
じ溝部６２のねじ溝６２ａのドラッグ作用によって排気
を行うねじ溝排気部Ｌ２が構成されている。このよう
に、翼排気部Ｌ１の下流側にねじ溝排気部Ｌ２を設ける
ことで、広い流量範囲に対応可能となっている。FIG. 3 shows an example in which the magnetic bearing device shown in FIG. 1 is applied to a turbo molecular pump. A rotor (impeller) 64 having a rotary blade 60 and a thread groove 62 is fixed to the upper end of the rotor shaft 12 of the turbo molecular pump. On the inner surface of the pump casing 66, the fixed blades 68 are alternately arranged with the rotating blades 60, and thereby, a blade exhaust unit that performs exhaust by the interaction between the rotating blades 60 rotating at a high speed and the stationary fixed blades 68 stationary. L 1 is configured. Also, it is arranged a screw groove spacer 70 so as to surround the outer periphery of the threaded portion 62, whereby the screw groove pumping section L 2 which performs exhaust by the drag effect of the threaded groove 62a of the screw groove 62 rotating at a high speed is formed . Thus, by the downstream side of the blade pumping section L 1 providing a thread groove exhaust portion L 2, which is possible to cope with a wide range of flow rates.
【００４０】なお、モータロータ１６の外径ｄ４がロー
タシャフト１２のラジアル磁気軸受２２，２４の被セン
サ部３２，４０の外径ｄ２，ｄ６及び被軸受部３６，４
４の外径ｄ３，ｄ５より大径に設定されて、モータステ
ータ２０とモータロータ１６との間の隙間が、ラジアル
磁気軸受２２，２４における各隙間よりも小さくなって
いることは前述と同様である。The outer diameter d 4 of the motor rotor 16 is equal to the outer diameters d 2 and d 6 of the sensor portions 32 and 40 of the radial magnetic bearings 22 and 24 of the rotor shaft 12 and the bearing portions 36 and 4.
4 is larger than the outer diameters d 3 and d 5 , and the gap between the motor stator 20 and the motor rotor 16 is smaller than the gaps in the radial magnetic bearings 22 and 24, as described above. It is.
【００４１】近年、例えば半導体製造に使用される真空
ポンプでは、真空排気すべきガス量が多くなるととも
に、運転される圧力もガス量が多くなるに伴って高くな
りつつある。そのため、真空ポンプのロータを回転させ
ているモータも高出力が必要になっている。特に、高真
空域をつくり出すターボ分子ポンプの場合、運転圧力の
上昇に伴って吸気側に配設されている翼排気部での回転
のための必要動力が急激に増大するため、モータの出力
がより一層必要になる。しかしながら、半導体製造装置
のコンパクト化、保守性向上のため真空ポンプに許容さ
れるスペースは小さくなりつつあり、真空ポンプのコン
パクト化及び性能向上が切望されている。この例によれ
ば、モータ部の高効率化、コンパクト化により真空ポン
プのコンパクト化が図れる。In recent years, for example, in a vacuum pump used for semiconductor manufacturing, the amount of gas to be evacuated has been increased, and the operating pressure has been increasing as the amount of gas has been increased. Therefore, a motor for rotating the rotor of the vacuum pump also needs to have high output. In particular, in the case of a turbo-molecular pump that creates a high vacuum region, the power required for rotation at the blade exhaust portion arranged on the intake side rapidly increases with an increase in operating pressure, and the output of the motor increases. It becomes even more necessary. However, the space allowed for the vacuum pump is becoming smaller in order to make the semiconductor manufacturing apparatus more compact and maintainable, and there is a growing demand for a more compact vacuum pump and improved performance. According to this example, the vacuum pump can be downsized by increasing the efficiency and downsizing of the motor section.
【００４２】特に、５軸形磁気軸受装置を用いた真空ポ
ンプの場合、モータを中心にラジアル軸受が配設されて
いるため、必然的にロータシャフトの長さが長くなり、
真空ポンプの軸方向寸法が大きくなってしまう。この例
によれば、モータの軸方向寸法も小さくできるので、ポ
ンプのコンパクト化のみならず、ロータシャフトが短く
なる。これにより、ロータシャフトの固有値を高く設定
でき、磁気軸受の制御安定性やそれに伴う回転安定性も
充分に確保することができる。In particular, in the case of a vacuum pump using a five-shaft magnetic bearing device, since the radial bearing is provided around the motor, the length of the rotor shaft inevitably increases.
The axial dimension of the vacuum pump becomes large. According to this example, since the axial dimension of the motor can be reduced, not only the pump can be made compact, but also the rotor shaft can be shortened. As a result, the eigenvalue of the rotor shaft can be set high, and the control stability of the magnetic bearing and the accompanying rotational stability can be sufficiently ensured.
【００４３】図４は、本発明の第２の実施の形態の磁気
軸受装置を示す。この例では、ロータシャフト１２のロ
ータ側タッチダウンベアリング２６における被支持部５
６の外径ｄ１、ロータ側ラジアル磁気軸受２２における
被センサ部３２の外径ｄ２、被軸受部３６の外径ｄ３、
反ロータ側ラジアル磁気軸受２４における被軸受部４４
の外径ｄ５、被センサ部４０の外径ｄ６の寸法が全て等
しく（ｄ１＝ｄ２＝ｄ ３＝ｄ４＝ｄ５＝ｄ６）設定され
ている。そして、モータロータ１６の外径ｄ４がこれら
の外径よりも大きく（ｄ４＞ｄ１＝ｄ２＝ｄ３＝ｄ５＝
ｄ６）設定されている。一方、ステータ１８側の各部に
あっては、ロータ側ラジアル磁気軸受２２のラジアル変
位センサ３４の内径Ｄ２、ラジアル電磁石３８の内径Ｄ
３、モータステータ２０の内径Ｄ４、反ロータ側ラジア
ル磁気軸受２４のラジアル電磁石４６の内径Ｄ５及びラ
ジアル変位センサ４２の内径Ｄ６が等しく、これらの寸
法よりロータ側タッチベアリング２６の内径Ｄ１が小径
に、また反ロータ側タッチベアリング２８の内径Ｄ７は
より小径になる（Ｄ２＝Ｄ３＝Ｄ４＝Ｄ５＝Ｄ６＞Ｄ１
＞Ｄ７）ように設定されている。これにより、前記第１
の実施の形態と同様な効果の他に更に次のような効果を
得ることができる。FIG. 4 shows a magnetic recording medium according to a second embodiment of the present invention.
3 shows a bearing device. In this example, the rotor shaft 12
Supported part 5 in the data-side touchdown bearing 26
Outer diameter d of 61In the rotor-side radial magnetic bearing 22
Outer diameter d of the sensor 322The outer diameter d of the bearing portion 363,
Bearing part 44 of the radial magnetic bearing 24 on the side opposite to the rotor
Outer diameter d of5, The outer diameter d of the sensor section 406All dimensions are
(D1= D2= D 3= D4= D5= D6) Set
ing. And the outer diameter d of the motor rotor 164But these
Larger than the outer diameter of (d4> D1= D2= D3= D5=
d6) Is set. On the other hand, each part on the stator 18 side
The radial variation of the rotor-side radial magnetic bearing 22
Inner diameter D of position sensor 342, The inner diameter D of the radial electromagnet 38
3, The inner diameter D of the motor stator 204, Anti-rotor side radius
Inner diameter D of the radial electromagnet 46 of the magnetic bearing 245And la
Inner diameter D of dial displacement sensor 426Are equal, these dimensions
Inner diameter D of rotor side touch bearing 261Has a small diameter
And the inner diameter D of the anti-rotor side touch bearing 287Is
Smaller diameter (D2= D3= D4= D5= D6> D1
> D7) Is set as follows. Thereby, the first
In addition to the same effects as in the embodiment,
Obtainable.
【００４４】ロータシャフト１２の各部の外径寸法をラ
ジアル磁気軸受部ｄ２，ｄ３，ｄ５，ｄ６のみならずロ
ータ側タッチベアリング２６における被支持部５６の外
径ｄ １も同一にしているため、同部の加工を同時に行う
ことが可能となる。一般的にロータシャフトの外径部は
研磨等により加工が行われるため、この実施の形態では
研磨用砥石を同径寸法部にあわせて幅広く設定でき、加
工性が向上する。The outer diameter of each part of the rotor shaft 12 is
Dial magnetic bearing d2, D3, D5, D6Not only b
Outside the supported portion 56 in the data-side touch bearing 26
Diameter d 1Process the same part at the same time
It becomes possible. Generally, the outer diameter of the rotor shaft is
Since processing is performed by polishing or the like, in this embodiment,
A wide range of grinding wheels can be set to match the same diameter dimensions.
Workability is improved.
【００４５】また、この実施の形態では、ロータ側タッ
チベアリング２６の内径Ｄ１を図１に示す第１の実施の
形態より小さく設定しているので、次のような効果があ
る。ロータ側タッチベアリング２６の内径Ｄ１をロータ
シャフト１２がステータに組み立て可能な寸法の範囲で
極力小さく設定することにより、ロータ側タッチベアリ
ング２６の内輪の体積を可及的に大きくすることができ
る。タッチベアリングの内輪はタッチダウン時の衝撃及
び回転エネルギにより発熱を生じる。ここで、内輪の体
積が大きければ、内輪の熱容量を大きくすることがで
き、タッチダウン時のタッチベアリングの内輪の過熱を
防止することができる。また、タッチベアリングの内輪
の径方向寸法が大きくなることにより、内輪の剛性が高
くなり、タッチダウン時の内輪軌道面の変形も小さく抑
えられる。よって、ロータシャフトがタッチベアリング
にタッチダウンした際の耐久性が向上し、信頼性の高い
磁気軸受装置となる。この磁気軸受装置をターボ分子ポ
ンプに適用した場合、図３に示すように、ロータは釣鐘
状でロータシャフトにオーバーハング状態で取り付けら
れるのが一般的である。この場合、ロータとロータシャ
フトの全体の重心位置がロータ側タッチベアリングの近
傍になり、ロータ側タッチベアリングは高い負荷能力を
必要とするため、上述の実施の形態が非常に有効であ
る。Further, in this embodiment, since the inner diameter D 1 of the rotor-side touch bearing 26 is set to be smaller than the first embodiment shown in FIG. 1, the following effects. An inner diameter D 1 of the rotor-side touch bearing 26 by the rotor shaft 12 is set as small as possible within a range of assemblable dimensions stator, it is possible to increase the inner volume of the rotor-side touch bearing 26 as much as possible. The inner ring of the touch bearing generates heat due to impact and rotational energy at the time of touchdown. Here, if the volume of the inner ring is large, the heat capacity of the inner ring can be increased, and overheating of the inner ring of the touch bearing at the time of touchdown can be prevented. In addition, as the radial dimension of the inner ring of the touch bearing increases, the rigidity of the inner ring increases, and the deformation of the inner ring raceway surface during touchdown can be suppressed to a small value. Therefore, the durability when the rotor shaft touches down on the touch bearing is improved, and a highly reliable magnetic bearing device is obtained. When this magnetic bearing device is applied to a turbo-molecular pump, as shown in FIG. 3, the rotor is generally attached in a bell-shaped manner to the rotor shaft in an overhang state. In this case, the position of the center of gravity of the rotor and the rotor shaft as a whole is in the vicinity of the rotor-side touch bearing, and the rotor-side touch bearing requires a high load capability. Therefore, the above-described embodiment is very effective.
【００４６】図５は、本発明の第３の実施の形態の磁気
軸受装置を示す。この例では、ロータシャフト１２側の
各部にあっては、ロータシャフト１２のロータ側タッチ
ベアリング２６における被支持部５６の外径ｄ１、ロー
タ側ラジアル磁気軸受２２における被センサ部３２の外
径ｄ２、被軸受部３６の外径ｄ３、反ロータ側ラジアル
磁気軸受２４における被軸受部４４の外径ｄ５、被セン
サ部４０の外径ｄ６及び反ロータ側タッチベアリング２
８における被支持部５８の外径ｄ７が、（ｄ１＞ｄ２＞
ｄ３＞ｄ５＞ｄ６＞ｄ７）の関係となるようになってい
る。FIG. 5 shows a magnetic bearing device according to a third embodiment of the present invention. In this example, in each part on the rotor shaft 12 side, the outer diameter d 1 of the supported part 56 in the rotor-side touch bearing 26 of the rotor shaft 12 and the outer diameter d of the sensor part 32 in the rotor-side radial magnetic bearing 22. 2 , the outer diameter d 3 of the bearing portion 36, the outer diameter d 5 of the bearing portion 44 in the radial magnetic bearing 24 on the opposite rotor side, the outer diameter d 6 of the sensor portion 40, and the touch bearing 2 on the opposite rotor side.
Outer diameter d 7 of the supported portion 58 at 8, (d 1> d 2>
d 3> d 5> d 6 > is adapted to a relationship of d 7).
【００４７】一方、ステータ１８側の各部にあっては、
ロータ側タッチベアリング２６の内径Ｄ１、ロータ側ラ
ジアル磁気軸受２２のラジアル変位センサ３４の内径Ｄ
２、ラジアル電磁石３８の内径Ｄ３、モータステータ２
０の内径Ｄ４、反ロータ側ラジアル磁気軸受２４のラジ
アル電磁石４６の内径Ｄ５、ラジアル変位センサ４２の
内径Ｄ６、及び反ロータ側タッチベアリング２８の内径
Ｄ７が、（Ｄ１＝Ｄ２＞Ｄ３＞Ｄ４＞Ｄ５＞Ｄ６＞
Ｄ７）の関係となっている。On the other hand, in each part on the stator 18 side,
The inner diameter D 1 of the rotor-side touch bearing 26 and the inner diameter D of the radial displacement sensor 34 of the rotor-side radial magnetic bearing 22.
2 , inner diameter D 3 of radial electromagnet 38, motor stator 2
0 of inner diameter D 4, the inner diameter D 7 of the anti-rotor side radial inner diameter D 5 of the radial electromagnet 46 of the magnetic bearing 24, the inner diameter D 6 of the radial displacement sensor 42, and the counter-rotor-side touch bearing 28, (D 1 = D 2 > D 3 > D 4 > D 5 > D 6 >
D 7 ).
【００４８】そして、モータロータ１６の外径ｄ４は、
これとモータステータ２０の内径Ｄ ４との間の隙間（Ｄ
４−ｄ４）が、ロータ側ラジアル磁気軸受２２のラジア
ル変位センサ３４の内径Ｄ２と被センサ部３２の外径ｄ
２との間の隙間（Ｄ２−ｄ２）、ラジアル電磁石３８の
内径Ｄ３と被軸受部３６の外径ｄ３との間の隙間（Ｄ ３
−ｄ３）、反ロータ側ラジアル磁気軸受２４のラジアル
電磁石４６の内径Ｄ５と被軸受部４４の外径ｄ５との間
の隙間（Ｄ５−ｄ５）、ラジアル変位センサ４２の内径
Ｄ６と被センサ部４０の外径ｄ６との間の隙間（Ｄ６−
ｄ６）よりも小さくなる（Ｄ４−ｄ４＜Ｄ２−ｄ２，Ｄ
３−ｄ３，Ｄ５−ｄ５，Ｄ６−ｄ６）ように設定されて
いる。The outer diameter d of the motor rotor 16 is4Is
This and the inner diameter D of the motor stator 20 4Gap (D
4-D4) Is the radius of the rotor-side radial magnetic bearing 22.
Diameter D of the displacement sensor 342And the outer diameter d of the sensor part 32
2Gap (D2-D2), Of the radial electromagnet 38
Inner diameter D3And the outer diameter d of the bearing portion 363Gap (D 3
-D3), Radial of the radial magnetic bearing 24 on the non-rotor side
Inner diameter D of electromagnet 465And the outer diameter d of the bearing portion 445Between
Gap (D5-D5), Inner diameter of radial displacement sensor 42
D6And the outer diameter d of the sensor part 406Gap (D6−
d6) (D4-D4<D2-D2, D
3-D3, D5-D5, D6-D6) Set as
I have.
【００４９】なお、タッチベアリング２６，２８におけ
る各隙間（Ｄ１−ｄ１，Ｄ７−ｄ７）は前述と同様であ
る。このように構成しても前記第１の実施の形態と同様
な効果を得ることができる。The gaps (D 1 -d 1 , D 7 -d 7 ) in the touch bearings 26 and 28 are the same as described above. Even with such a configuration, the same effect as in the first embodiment can be obtained.
【００５０】[0050]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
モータのコンパクト化を図りつつ、モータとしての効率
及び性能を向上させることができる。これにより、必然
的にロータシャフトの軸方向寸法が長くなる５軸形磁気
軸受装置においては、ロータシャフトの軸方向寸法を小
さくしてよりコンパクト化を図るとともに、磁気軸受の
支持及びモータによる回転の安定を確保することができ
る。また、本磁気軸受装置のコンパクト化により、同装
置を使った真空ポンプ等の大きさも小さくできるととも
に、排気性能の向上を図ることができる。As described above, according to the present invention,
It is possible to improve the efficiency and performance of the motor while reducing the size of the motor. As a result, in a five-shaft magnetic bearing device in which the axial dimension of the rotor shaft is inevitably longer, the axial dimension of the rotor shaft is reduced to make the rotor shaft more compact, while supporting the magnetic bearing and rotating the motor. Stability can be ensured. Further, by making the magnetic bearing device compact, the size of a vacuum pump or the like using the magnetic bearing device can be reduced, and the exhaust performance can be improved.
【図１】本発明の第１の実施の形態の磁気軸受装置の断
面図である。FIG. 1 is a sectional view of a magnetic bearing device according to a first embodiment of the present invention.
【図２】（ａ）は、図１に示す磁気軸受装置において、
ロータシャフトを磁気軸受で支承している時の状態を、
（ｂ）は、ロータシャフトを磁気軸受で支承していない
時の状態をそれぞれ模式的に示す断面図である。FIG. 2 (a) shows the magnetic bearing device shown in FIG.
The state when the rotor shaft is supported by magnetic bearings,
(B) is sectional drawing which shows typically the state when the rotor shaft is not supported by the magnetic bearing.
【図３】図１に示す磁気軸受装置を備えたターボ分子ポ
ンプの断面図である。3 is a sectional view of a turbo-molecular pump provided with the magnetic bearing device shown in FIG.
【図４】本発明の第２の実施の形態の磁気軸受装置の断
面図である。FIG. 4 is a sectional view of a magnetic bearing device according to a second embodiment of the present invention.
【図５】本発明の第３の実施の形態の磁気軸受装置の断
面である。FIG. 5 is a cross section of a magnetic bearing device according to a third embodiment of the present invention.
【図６】従来の磁気軸受装置の断面図である。FIG. 6 is a sectional view of a conventional magnetic bearing device.
１０ ロータ １２ ロータシャフト １４ モータ １６ モータロータ １８ ステータ ２０ モータステータ ２２，２４ ラジアル磁気軸受 ２６，２８ タッチベアリング ３０ アキシャル磁気軸受 ３２，４０ 被センサ部 ３４，４２ ラジアル変位センサ ３６，４４ 被軸受部 ３８，４６ ラジアル電磁石 ５０ アキシャルディスク ５２ アキシャル変位センサ ５４ アキシャル電磁石 ５６，５８ 被支持部 ６０ 回転翼 ６２ ねじ溝部 ６４ ロータ（羽根車） ６６ ポンプケーシング ６８ 固定翼 ７０ ねじ溝部スペーサ Ｌ１ 翼排気部 Ｌ２ ねじ溝排気部DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Rotor 12 Rotor shaft 14 Motor 16 Motor rotor 18 Stator 20 Motor stator 22 and 24 Radial magnetic bearing 26, 28 Touch bearing 30 Axial magnetic bearing 32, 40 Sensor part 34, 42 Radial displacement sensor 36, 44 Bearing part 38, 46 Radial electromagnet 50 Axial disk 52 Axial displacement sensor 54 Axial electromagnet 56, 58 Supported part 60 Rotor blade 62 Screw groove part 64 Rotor (impeller) 66 Pump casing 68 Fixed wing 70 Screw groove part spacer L 1 blade exhaust part L 2 screw groove exhaust Department
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3H031 DA02 EA00 EA09 EA12 EA15 FA11 FA13 3J102 AA01 BA03 CA19 CA21 DA02 DA03 DA09 DB05 GA19 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 3H031 DA02 EA00 EA09 EA12 EA15 FA11 FA13 3J102 AA01 BA03 CA19 CA21 DA02 DA03 DA09 DB05 GA19
Claims (2)
ャフトを２個のラジアル磁気軸受と１個のアキシャル磁
気軸受により浮上軸支した５軸形磁気軸受装置におい
て、 前記ラジアル磁気軸受の少なくとも１つとして能動形磁
気軸受を使用し、 前記モータロータの外径と該モータロータと対面するモ
ータステータの内径との間の隙間を、前記能動形磁気軸
受のラジアル変位センサの内径と該変位センサに対面す
るロータシャフトの被センサ部の外径との間の隙間、ま
たは前記能動形磁気軸受のラジアル電磁石の内径と該電
磁石に対面するロータシャフトの被軸受部の外径との間
の隙間の少なくとも一方より小さく設定したことを特徴
とする磁気軸受装置。1. A five-axis magnetic bearing device in which a rotor shaft rotating integrally with a motor rotor is levitated and supported by two radial magnetic bearings and one axial magnetic bearing, wherein at least one of said radial magnetic bearings is active. Using a magnetic bearing, the gap between the outer diameter of the motor rotor and the inner diameter of the motor stator facing the motor rotor, the inner diameter of the radial displacement sensor of the active magnetic bearing and the rotor shaft facing the displacement sensor. It is set smaller than at least one of a gap between the outer diameter of the sensored portion and a gap between the inner diameter of the radial electromagnet of the active magnetic bearing and the outer diameter of the bearing portion of the rotor shaft facing the electromagnet. A magnetic bearing device, characterized in that:
タを連結したことを特徴とする請求項１に記載の磁気軸
受装置。2. The magnetic bearing device according to claim 1, wherein a rotor of a vacuum pump is connected to the rotor shaft.
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| JP2001090707A JP3777500B2 (en) | 2001-03-27 | 2001-03-27 | Magnetic bearing device |
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