JP2010515004A - 磁気軸受を用いてロータの共振周波数を決定するための方法 - Google Patents

Abstract

【解決手段】本発明は、磁気軸受を用いたロータ、特にターボ分子真空ポンプのロータの共振周波数を決定するための方法に関する。ロータが静止している間、又はロータが比較的低い回転数で回転している間、ロータの機械的振動が磁気軸受の電磁石によって生成される。ロータの振動は磁気軸受のロータ位置センサによって検出される。ロータの共振周波数が検出されたロータの振動から決定される。

Description

本発明は、能動型磁気軸受に支持されたロータの共振周波数を決定するための方法に関する。

磁気軸受は摩擦がないため、磁気浮上したロータを備えた機械は、一般的には、ターボ分子真空ポンプのような速く回転する機械である。全ての適用では、特に高速ロータを備えた機械では、ロータの臨界固有周波数、つまり、所謂共振周波数が、場合によってはロータの回転数と全く一致しないか、又は可能な限りほんの短く一致するようにロータの回転数は制御されなければならない。これは、共振を回避するか又は最小限度に抑えて、それによってロータに機械的な応力を与えないようにするためである。

更に、ターボ分子真空ポンプのポンプロータとポンプステータとの間の間隙は、背後の漏れコンダクタンスを最小限度に維持するために非常に小さい。ポンプロータの過度の偏倚は、ポンプステータとの衝突の原因になるかもしれず、いずれにせよ避けなければならない。この理由により、ロータの共振周波数の近くで磁気浮上したターボ分子ポンプを作動させることは回避すべきである。

先行技術のロータ又はターボ分子真空ポンプでは、各モデルの共振周波数は実験によって決定されて、夫々のモデルのポンプの回転速度の制御又は調整は、ロータの共振周波数を回避するか、又は電源投入中又は電源遮断中に可能な限り速くスイープするように厳密に設定される。ひとつのモデルでの試験体に関する変動及び作動サイクル全体に亘ってあり得る変化のために、比較的広い安全域が、モデルの実験的に決定された共振周波数付近で設定されるべきである。

特開平８−１２１４７７号公報

これを考慮して、本発明の目的は、磁気浮上したロータの共振周波数が常に正確に決定され得る方法を提供することである。

この目的は、本発明によれば請求項１の特徴を有する方法により達成される。

本発明の方法は、磁気浮上したロータが特にターボ分子真空ポンプで頻繁に用いられるので、磁気浮上したロータのみを対象としている。

ロータが静止している間、又はロータが、ロータの定格回転数にあまり近くない回転数で回転しているとき、ロータの磁気軸受の電磁石が、ロータの機械的振動を生成する。同時に、磁気軸受のロータ位置センサが、生成されたロータの振動を検出又は検知する。検出された振動、及び生成された振動の周波数に関する情報から、ロータの共振周波数が決定され得る。

従ってロータの共振周波数は、ロータの機械的共振を誘導しないロータの回転数で決定される。説明された共振周波数は、ロータが静止している間に決定され得る。しかしながら、共振周波数の決定は、ロータが遅く回転しているときに行うと更に正確である。なぜなら、ロータの共振周波数は回転中に動荷重で変化するからである。

好ましくは、生成された振動の周波数は、ロータの回転数を少なくとも部分的に超えた範囲内にある。言い換えれば、磁気軸受によってロータの機械的な振動を生成することにより、ロータは、共振周波数を決定するために回転して励起される必要がない。

しかしながら、ロータの回転数が、ロータの共振周波数を決定する間に高いほど、共振周波数は、より正確に決定され得る。これに対して、ロータの回転数は、衝突の危険を減らし、かつ衝突した場合には損傷を抑えるように、共振周波数を決定する間可能な限り低くすべきである。更に、ロータが低回転数で回転しているとき、又はロータが静止している間に共振周波数を決定することにより、共振周波数の迅速な決定が可能になる。なぜなら、ロータの回転数が延々と増加することが省略され得るか、又は時間がほとんどとられないためである。ロータの共振周波数は、実際には数秒内に決定され得る。

好ましい実施形態によれば、振動を生成する間、ロータの回転数は、ロータの定格回転数の70％未満であり、特に30％未満であることが好ましい。試験により、ロータの定格回転数の10％の回転数で、ロータの共振周波数が十分高精度に決定され得ることが示された。

ロータの共振周波数の正確な決定により、ロータの２つの共振周波数間でもロータの定格回転数を選択することが可能になる。個体毎の共振周波数の正確な決定により、ロータの作動のための周波数帯域の決定が可能になる。ロータは、共振周波数の正確な知識なしでは、この場合に必要とされる安全域のために場合によっては用いられ得ない。

まずモデルを参照して決定されて、次にひとつのモデルの全ての個体に固定的に記憶された共振周波数を用いる場合と比較して、本方法は、ひとつのロータ毎に個別に共振周波数を決定することが可能になるという点で有利である。ひとつのロータ毎に決定された共振周波数が、個別に既知であるので、ロータは、一般的にはロータの個別の共振周波数により近い回転数で駆動され得る。対応する安全域が、固定的にプログラム化された共振周波数毎に設定される必要があるが、対応する安全域は変動毎に設定される必要がない。特にターボ分子真空ポンプでは、個体毎の臨界共振周波数の著しい変動が、モデルの個体毎に決定され得ることが分かったので、ロータに関する実際の共振周波数を知ることは大きな利点である。

説明された方法により共振周波数は、ロータを有する機械が最初に始動する際に決定され得るが、代わりに又は付加的に一定間隔で、又はより長い静止期間の後で決定されてもよい。

磁気軸受の電磁石は、様々な振動周波数の機械的振動を生成することが好ましい。例えば、夫々の機械又は夫々のロータが用いられるべき回転数スペクトル全体の振動を生成することが可能である。しかしながら、磁気軸受の電磁石によってロータに生成されることが意図された周波数スペクトルは、既知であり、機械又はロータの夫々のモデルに特有の臨界域に制限されてもよい。

好ましい実施形態では、本方法は、ターボ分子真空ポンプの磁気浮上したロータの共振周波数の決定に関する。このような機械では、ポンプロータとポンプステータとの間の間隙は非常に小さいので、共振周波数での、又は共振周波数近くでのロータの作動は衝突の重大な危険を伴う。ロータの固定的にプログラム化されたモデルに特有の共振周波数を用いるとき、大幅な安全域が、個体の変動のために考慮される必要がある。夫々のロータ又は夫々の真空ポンプ毎に共振周波数を決定することにより、これらの安全域は非常に狭く選択され得る。このため、ターボ分子真空ポンプは、固定的にプログラム化されたモデルに特有の共振周波数での場合より、共振周波数に非常に近い回転数で作動され得る。

本発明の実施形態を以下に詳細に説明する。

本発明を、ターボ分子真空ポンプを参照して詳細に説明する。特には、ターボ分子真空ポンプのロータは、モータロータとポンプロータとがしっかりと取り付けられている軸から構成されている。更に、軸には、磁気軸受、例えば永久磁気スリーブ、環等のロータ側の構成要素が設けられてもよい。

ステータ側では、特に、ポンプステータ、モータステータ及び磁気軸受のステータ側の構成要素が設けられている。磁気軸受のステータ側の構成要素は、特に、磁気軸受制御によって制御された複数の電磁石を含んでいる。更に、ロータ位置センサが、ステータ側に設けられており、高い測定周波数で且つ高精度にロータの正確な位置を決定すべく適合されている。

ロータが静止しているとき、静止試運転が、作動回転数になるまでロータに動力を供給する前の一定間隔だけでなく、最初に始動する前に行なわれる。ここで、磁気軸受の電磁石は、ロータを浮上作動位置に維持して、機械的振動を受ける。従って、磁気軸受は、真空ポンプの構造又はモデルに特有の一又は複数の共振周波数が予測される周波数スペクトルに亘ってロータの振動を生成する。

ロータ位置センサは、磁気軸受の電磁石によって生成された夫々の振動周波数のロータ振動が増加したか否かを決定する。

このようにして、ロータの共振周波数は、作動サイクルに亘って変化するかもしれないが常に高精度に決定され得る。

ロータの作動のために、比較的狭い周波数帯域が、ロータの検出された共振周波数付近の安全域として設定され得る。従って、ロータ又はターボ分子真空ポンプは、必要に応じて、このようにして決定された共振周波数に比較的近い回転数で作動され得る。超臨界回転数の範囲、つまり、共振周波数を超えた回転数の範囲でターボ分子真空ポンプを作動可能であるように、共振周波数付近の領域は可能な限り速くスイープされる必要がある。更に、超臨界回転数まで真空ポンプに動力を供給するために、ロータの共振周波数に関する正確な情報が非常に重要である。

場合によっては、最大回転数が、ロータの共振周波数以下で可能な限り近くに選択され得る。共振周波数を正確に決定することにより、より高い作動回転数の選択が可能になり、従って個体の共振周波数の変動が既知でない場合に可能な回転数より、共振周波数により近い選択が可能になる。従って、ターボ分子真空ポンプの最大回転数は最大10％乃至15％増加され得る。

Claims (6)

1. 磁気軸受を用いてロータの共振周波数を決定するための方法において、
   - 前記磁気軸受の電磁石によってロータの機械的振動を生成するステップ
   - 前記磁気軸受のロータ位置センサにより前記ロータの振動を検出するステップ
   - 検出された振動から前記ロータの共振周波数を決定するステップ
   を備えることを特徴とする方法。
2. 生成された振動の周波数は、前記ロータの回転数を少なくとも部分的に超えた範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 振動を生成する間、前記ロータの回転数は、前記ロータの定格回転数の70％未満であり、好ましくは30％未満であることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 様々な振動周波数の機械的振動が生成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
5. 周波数スペクトルの様々な振動周波数の機械的振動が生成されることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 磁気軸受を用いた前記ロータは、ターボ分子真空ポンプのロータであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。