JP2012193705A - 真空ポンプおよび真空ポンプの回転始動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回転始動性に優れた真空ポンプの提供。
【解決手段】真空ポンプは、ロータ４を磁気浮上させる磁気軸受３と、磁気軸受３の励磁電流を制御してロータ４の浮上位置を制御する軸受制御部８と、ロータ４に固定され、永久磁石を有するモータロータと、モータロータを回転駆動するモータステータと、磁気軸受３によりロータ４を軸受中心位置から所定径方向に偏心させ、かつ、モータステータにより所定径方向を向いた固定磁界を発生させて、ロータ４の回転方向の角度を調整する主制御部９と、主制御部９は回転方向の角度が調整されたロータ４を、所定径方向に偏心した状態から軸受中心位置に戻し、モータ制御部７は軸受中心位置に戻されたロータ４を回転させるための回転磁界をモータステータにより発生させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転始動性に優れた真空ポンプ、および真空ポンプの回転始動方法に関する。

ターボ分子ポンプは、回転翼が形成されたロータを固定翼に対して高速回転することにより、気体排気を行っている。ロータの回転駆動には、例えばブラシレスＤＣモータが用いられる。ブラシレスＤＣモータを駆動制御する場合、ホールセンサによってモータロータの磁極位置（角度）を検出し、ホールセンサの出力信号に基づいてモータの各巻線の電流を切り換えるようにしている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、ホールセンサを用いて磁極位置を検出するには、ホールセンサを１２０deg間隔で３個設ける必要があり、コストアップを招くという欠点があった。そのため、インダクタンス式の回転センサを１個使用し、ロータの回転方向を検出する方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開平８−４７２８５号公報 特開２００６−１５２９５８号公報

しかしながら、回転センサはホールセンサのようにロータの回転位置を正確に検出することができない。そのため、回転開始時（始動時）はトライアンドエラーの逐次手順で正方向回転状態へもって行く必要がある。その過程では一時的に逆回転することもあり、正方向回転状態となるまでに時間を要する場合もあった。

請求項１の発明に係る真空ポンプは、ポンプロータを磁気浮上させる磁気軸受と、磁気軸受の励磁電流を制御してポンプロータの浮上位置を制御する磁気軸受制御部と、ポンプロータに固定され、永久磁石を有するモータロータと、モータロータを回転駆動するモータステータと、磁気軸受によりポンプロータを軸受中心位置から所定径方向に偏心させ、かつ、モータステータにより所定径方向を向いた固定磁界を発生させて、ポンプロータの回転方向の角度を調整する第１の調整手段と、第１の調整手段により回転方向の角度が調整されたポンプロータを、所定径方向に偏心した状態から軸受中心位置に戻す第２の調整手段と、第２の調整手段により軸受中心位置に戻されたポンプロータを回転させるための回転磁界をモータステータにより発生させるモータ制御部と、を備えたことを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載の真空ポンプにおいて、第２の調整手段は、第１の調整手段による角度調整が開始されてから所定停止時間経過した後に、ポンプロータを軸受中心位置に戻すことを特徴とする。
請求項３の発明は、ポンプロータを磁気軸受で磁気浮上させ、モータにより回転駆動する真空ポンプの回転始動方法であって、磁気軸受によりポンプロータを軸受中心位置から所定径方向に偏心させる工程と、モータのモータステータにより所定径方向を向いた固定磁界を発生させる工程と、所定時間経過後にポンプロータを軸受中心位置に戻す工程と、ポンプロータをモータにより回転駆動する工程と、を有する。

本発明によれば、真空ポンプの回転始動性の向上を図ることができる。

ターボ分子ポンプの概略構成を示すブロック図である。 第２の実施形態を示す図である。 モータ制御部７を説明するブロック図である。 始動動作を説明するフローチャートである。 モータロータ６２の偏心動作を説明する図である。 固定磁界によるモータロータ６２の位置決めを説明する図である。 回転始動を説明する図である。 モータロータ６２とモータステータ６１との間に働く力の説明する図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための実施の形態について説明する。図１は、本発明による真空ポンプの一実施の形態を示す図であり、ターボ分子ポンプの概略構成を示すブロック図である。ターボ分子ポンプは、ポンプ本体１と電源装置２とから構成されている。図１に示す例では、ポンプ本体１と電源装置２とをケーブルで接続するような構成としているが、ポンプ本体１と電源装置２とを一体で構成する場合もある。

ポンプ本体１には、回転翼が形成されたロータ４が設けられており、ロータ４は磁気軸受３により非接触支持されるとともにモータ６により回転駆動される。モータ６には３相ＤＣブラシレスモータが用いられている。一方、電源装置２には、モータ６を駆動するモータ制御部７と、ロータ４が所定浮上位置に支持されるように磁気軸受３に供給される励磁電流を制御する軸受制御部８とを備えている。さらに、モータ制御部７および軸受制御部８は主制御部９によって制御されている。

図２は、磁気軸受３に設けられた電磁石の配置を示す図であり、ロータ４の回転軸をｚ軸方向とした。磁気軸受３は５軸制御型磁気軸受を構成しており、ロータ４を挟んで対向配置された一対の電磁石３７ｘ、一対の電磁石３７ｙ、一対の電磁石３８ｘ、一対の電磁石３８ｙ、およびスラストディスク３５を挟んで対向配置された一対の電磁石３９ｚを有している。なお図示していないが、各一対の電磁石、すなわち各一軸方向の電磁石に対応して、ロータ４の変位を検出する変位センサがそれぞれ配置されている。図１の軸受制御部８は、変位センサの検出値に基づいてロータ４を所定位置に磁気浮上させる。

図３は、電源装置２に設けられたモータ制御部７を説明するブロック図である。モータ制御部７には、外部電源（商用電源）１００からの交流を直流に変換するＡＣ／ＤＣコンバータ回路７３が設けられている。インバータ回路７２は、トランジスタ等のスイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６を備え、ＡＣ／ＤＣコンバータ７３からの直流電圧をスイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６でオンオフスイッチングしてモータ６の固定子巻線６１に印加する。インバータ回路７２のスイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６のオンオフ駆動は、制御回路７０のドライバ回路７０４によって行われる。

逆起検出回路７１は、Ｗ相巻線に誘起される逆起電圧を検出するものである。永久磁石が設けられたモータロータ６２が回転すると、固定子巻線６１のＵ相巻線，Ｖ相巻線およびＷ相巻線に逆起電圧が誘起される。逆起検出回路７１はコンパレータを備えており、入力されたＷ相の逆起電圧（Ｗ相端子電圧）と中性点の電圧との差分を求め、その差分がゼロとなる点（ゼロクロス点）を検出する。逆起検出回路７１は、そのゼロクロス点に基づいて、所定レベルの逆起電圧パルスを出力する。なお、Ｗ相以外の逆起電圧を用いても良いし、２相以上の逆起電圧に基づいて逆起電圧パルスを生成しても良い。

逆起検出回路７１から出力された逆起電圧パルスは、制御回路７０の回転数検出部７０２に入力される。制御回路７０はマイコンで構成され、回転数検出部７０２、駆動波形生成部７０３、ドライバ回路７０４、メモリ７０５等を備えている。回転数検出部７０２は、逆起検出回路７１から入力された検出信号に基づいて、モータロータ６２の回転に同期した回転パルスを出力する。回転パルスは、駆動波形生成部７０３に入力される。駆動波形生成部７０３は、インバータ回路７２のスイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６を駆動するための駆動波形を生成して、それをドライバ回路７０４に出力する。ドライバ回路７０４は、駆動波形生成部７０３からの信号に基づいて、インバータ回路７２のスイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６のオンオフ駆動を行う。

上述したように、本実施の形態では逆起電圧パルスを利用してロータ４の回転を検出しているので、回転始動時のロータ回転位置を知ることができない。これは、特許文献２に記載のような回転センサを利用した真空ポンプにおいても同様であり、このような構成のポンプにおいては非同期で回転磁界を発生させて始動させているために、上記課題の項で記載したように始動性に劣っていた。

そこで、本実施の形態では、以下に説明するような方法で回転始動を行うことで、始動時の逆転を防止し始動性に優れた真空ポンプを提供するようにした。図４は、本実施の形態における回転始動動作の一例を説明するフローチャートである。図４の処理は、電源装置２の電源がオン状態になるとスタートするプログラムにより、主制御部９において実行される。

ステップＳ１０１では、軸受制御部８に磁気浮上指令を出力してロータを磁気軸受の中央位置に磁気浮上させる。ステップＳ１０２では、電源装置２に対してポンプ運転開始の指令（回転指令）が入力されたか否かを判定する。この回転指令は、例えば、ポンプが装着されている装置のコントローラから入力されたり、オペレータが電源装置２に設けられたポンプスタートスイッチをオン操作することにより、電源装置２の主制御部９に入力される。

回転指令が入力されるとステップＳ１０２でｙｅｓと判定され、ステップＳ１０３へ進む。ステップＳ１０３では、図２に示すロータ４（モータロータ６２）を図５に示すように偏心させる。なお、図２に示した一対の電磁石３７ｘは、図５では３７ｘ＋、３７ｘ−のように記載した。その他の電磁石３７ｙ，３８ｘ，３８ｙについても同様な表示とした。

図５は、モータステータ６１のＵ〜Ｗ相，Ｕ’〜Ｗ ’相のステータコイルと、永久磁石が設けられたモータロータ６２と、ラジアル磁気軸受を構成する電磁石３７ｘ，３７ｙ，３８ｘ，３８ｙとを模式的に示したものである。図５に示す例では、Ｖ，Ｖ’相のステータコイルがｘ軸方向に配置されるように、Ｕ〜Ｗ相，Ｕ’〜Ｗ ’相のステータコイルが配置されている。

通常の磁気浮上（ステップＳ１０１における磁気浮上）では、電磁石３７ｘ＋，電磁石３７ｘ−、電磁石３７ｙ＋，電磁石３７ｙ−、電磁石３８ｘ＋，電磁石３８ｘ−、電磁石３８ｙ＋，電磁石３８ｙ−の吸引力は等しく制御され、モータロータ６２の中心位置に保持されている。ステップＳ１０３では、電磁石３７ｙ−、３８ｙ−の吸引力を電磁石３７ｙ＋、３８ｙ＋の吸引力よりも大きくして、モータロータ６２（ロータ４）をステータ６１の図示下側に偏らせる。図２に示すロータ４は、平行移動するようにｙ軸方向に偏心する。

次いで、ステップＳ１０４では、図２においてＵ→Ｖのように電流が流れるようにスイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ６でオン制御する。そのようなモータ電流を流すと、図６（ａ）に示すように、Ｕ相とＷ’相との間がＮ極方向で、Ｗ相とＵ’相との間がＮ極方向となるような磁界が形成される。通常、モータを回転させる場合には回転磁界が形成されるようにスイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６でオンオフ制御するが、ステップＳ１０４においては、図６（ａ）に示すようにモータロータ６２の偏心方向がＳ極またはＮ極となるような磁界（固定磁界）が形成されるように制御する。

なお、固定磁界のＮ極の方向は図６（ａ）に示す場合も含めて６方向（６０ｄｅｇ間隔で）が可能であり、ＮＳが逆転した磁界も含めると１２通りの固定磁界が可能である。そして、ステップＳ１０３でロータを偏心させる場合、上記６方向のいずれかの方向に偏心させ、ステップＳ１０４では、その偏心方向がＳ極またはＮ極となるような固定磁界を形成する。図５，図６（ａ）はその一例を示したものである。

永久磁石のＳ極、Ｎ極の配置が図６（ａ）に示すような配置でモータロータ６２が停止していた場合、図６（ａ）のような固定磁界を形成すると、モータロータ６２は右回りに回転する。そして、図６（ｂ）のように永久磁石のＮ極が固定磁界のＳ極を通り過ぎると逆方向のトルクが作用し、モータロータ６２は左回りに回転する。モータロータ６２のこのような回転振動は次第に小さくなり、ある程度の時間が経過すると図６（ｃ）に示すような状態で停止する。この停止に要する時間はロータ４の重量やモータステータ６２側の吸引力等に依存する。本実施の形態では、モータロータ６２の回転振動がモータ始動に影響を与えない程度まで小さくなる時間を予め実測しておき、その停止時間をメモリ７０５に記憶させておく。

ステップＳ１０５では、固定磁界を発生させてから所定の停止時間（上記の、メモリ７０５に記憶されている停止時間）が経過したかを判定する。ステップＳ１０５において所定停止時間が経過したと判定されると、ステップＳ１０６へ進み、磁気軸受３の制御を通常の制御に戻し、図７（ａ）に示すようにロータ４を磁気軸受３の中央に磁気浮上させる。その後、ステップＳ１０７に進んでモータ６の回転駆動を開始し、ステップＳ１０８の通常の運転モードに移行する。

上述したように、本実施の形態では、固定磁界を形成してモータロータ６２を所定回転位置に位置決めし、その状態から回転磁界を形成して回転始動するようにしている。その際に、磁気軸受３を利用してモータロータ６２を偏心させているので、位置決めの際に生じる回転振動の停止時間を、偏心させない場合に比べて短縮することができる。

なお、図４に示す動作例では、モータロータ６２を偏心させてから固定磁界を形成するようにしたが、逆に、固定磁界を形成してからモータロータ６２を偏心させても良いし、それらを同時に行なうようにしても良い。例えば、モータロータ６２が停止していないで若干回転しているような状態から回転始動を行うような場合、固定磁界を先に形成することでその回転が抑制されるので、モータロータ６２を偏心への回転の影響を低減できる。

図８は、モータロータ６２とモータステータ６１との間に働く力の説明する図である。図８（ａ）はモータロータ６２を偏心させた場合、図８（ｂ）は偏心させない場合を示す。モータロータ６２とモータステータ６１との間に働く概略の力Ｆは、次式（１）で算出することができる。式（１）において、Ｑ１、Ｑ２は相対する磁極が発生する磁極の強さであり、ｒは磁極間の距離である。
Ｆ＝Ｑ１・Ｑ２／ｒ^２ …（１）

例えば、磁極間の距離が１５０μｍで、モータロータ６２の通常浮上位置から径方向移動可能距離が１００μｍであった場合を考える。このとき、モータロータ６２を移動可能な最大値１００μｍだけ偏心させると、図８（ａ）に示すように、磁極間の距離が縮まった図示下側の磁極の強さは、中央位置に浮上している場合の磁極の強さの９倍になる。一方、磁極間の距離が大きくなった図示上側の磁極の強さは、０．３６倍と小さくなる。その結果、偏心させた場合のトータルの磁極の強さは４．６８倍となる。このように磁極の力が強くなった分だけ、回転振動の減衰は顕著となり、速やかに図６（ｃ）の状態で停止する。

このように、モータロータ６２が予め決めた所定の回転位置（図６（ａ）に示す位置）に速やかに停止するので、短い時間でモータロータ６２を図７（ａ）のように浮上位置を中央位置に戻すことができる。そのため、図７（ｂ）に示すように回転磁界を形成することで、確実に所望の回転方向にモータロータ６２を回転開始させることができる。

一方、図８（ｂ）に示すように、モータロータ６２を偏心しないで固定磁界を形成した場合、偏心させた場合に比べて磁極の力が小さいため、回転振動が小さくなるまでより長に時間を要することになる。回転振動が納まる前に回転駆動を始めると、回転振動のタイミングによっては逆回転してしまう場合が生じる。特に、ターボ分子ポンプのような分子ポンプの場合、ロータ重量が比較的大きいため、回転振動が納まるまでの時間が長くなりやすい。そのため、本実施のように偏心させることは非常に効果的である。

なお、磁気軸受式ターボ分子ポンプの場合、磁気軸受停止時にロータ４を支持するメカニカルベアリングが設けられており、一般的に、ロータ４はメカニカルベアリングに接触するまで偏心させることができる。しかし、ロータ４が回転した状態で接触すると回転翼がステータ側と接触するなど不都合が生じるおそれがあるので、ロータ４がメカニカルベアリングに接触しない程度に偏心させるのが好ましい。

上述した実施の形態では磁気軸受式ターボ分子ポンプを例に説明したが、磁気軸受式ターボ分子ポンプに限らず、本発明を磁気軸受をロータ浮上に使用した真空ポンプにも適用することができる。また、逆起電圧を用いてロータ回転速度を検出する真空ポンプに限らず、例えば、インダクタンス式の回転センサにより回転速度を検出する方式の真空ポンプにも適用することができ、コストアップ要因となるロータ回転位置を検出センサを備えることなく、回転始動性の向上を図ることができる。

上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

１：ポンプ本体、２：電源装置、３：磁気軸受、４：ロータ、６：モータ、７：モータ制御部、８：軸受制御部、９：主制御部、３７ｘ、３７ｙ、３８ｘ、３８ｙ、３９ｚ：電磁石、６１：モータステータ、６２：モータロータ、７０：制御回路、７０５：メモリ

Claims (3)

1. ポンプロータを磁気浮上させる磁気軸受と、
   前記磁気軸受の励磁電流を制御して前記ポンプロータの浮上位置を制御する磁気軸受制御部と、
   前記ポンプロータに固定され、永久磁石を有するモータロータと、
   前記モータロータを回転駆動するモータステータと、
   前記磁気軸受により前記ポンプロータを軸受中心位置から所定径方向に偏心させ、かつ、前記モータステータにより前記所定径方向を向いた固定磁界を発生させて、前記ポンプロータの回転方向の角度を調整する第１の調整手段と、
   前記第１の調整手段により回転方向の角度が調整されたポンプロータを、前記所定径方向に偏心した状態から前記軸受中心位置に戻す第２の調整手段と、
   前記第２の調整手段により前記軸受中心位置に戻された前記ポンプロータを回転させるための回転磁界を前記モータステータにより発生させるモータ制御部と、を備えたことを特徴とする真空ポンプ。
2. 請求項１に記載の真空ポンプにおいて、
   前記第２の調整手段は、前記第１の調整手段による角度調整が開始されてから所定停止時間経過した後に、前記ポンプロータを前記軸受中心位置に戻すことを特徴とする真空ポンプ。
3. ポンプロータを磁気軸受で磁気浮上させ、モータにより回転駆動する真空ポンプの回転始動方法であって、
   前記磁気軸受により前記ポンプロータを軸受中心位置から所定径方向に偏心させる工程と、
   前記モータのモータステータにより前記所定径方向を向いた固定磁界を発生させる工程と、
   所定時間経過後に前記ポンプロータを軸受中心位置に戻す工程と、
   前記ポンプロータを前記モータにより回転駆動する工程と、を有する真空ポンプの回転始動方法。

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