JP2714867B2 - Magnetic bearing protection device - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 《産業上の利用分野》 この発明は、ターボ分子ポンプ等の高速回転部に用い
られる磁気軸受に関し、詳しくは磁気軸受に備えられて
いる保護ベアリングの機能劣化を早期に発見することに
より、保護ベアリングの完全破損や磁気軸受全体の破損
を未然に防止することのできる磁気軸受保護装置に関す
る。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a magnetic bearing used for a high-speed rotating part such as a turbo-molecular pump, and more particularly, to a method for quickly deteriorating the function of a protective bearing provided in a magnetic bearing. The present invention relates to a magnetic bearing protection device capable of preventing complete damage of a protection bearing and damage of a magnetic bearing as a whole.
《従来の技術》 磁気軸受に支承されるロータは通常の動作状態では、
電磁力により浮上されて高速回転をしているが、停止時
には保護ベアリングと称する通常の滑りまたは転がり軸
受により支承されている。<< Conventional technology >> The rotor supported by the magnetic bearing is in a normal operating state,
Although it is levitated by electromagnetic force and rotates at high speed, when stopped, it is supported by a normal sliding or rolling bearing called a protective bearing.
磁気軸受の動作中は、ロータが保護ベアリングに接触
することなく、磁気により浮上されているが、磁気軸受
またはロータに何等かの不具合が発生すると、ロータは
磁気浮上の状態から脱落し保護ベアリングに接触して不
安定な回転状態となる。通常は磁気軸受に異常が発生す
るとセンサがそれを検知することにより、ロータを駆動
しているモータを停止し、必要によってはブレーキをか
けながらロータを減速して速やかに回転を停止させて、
磁気軸受、特に保護ベアリングの摩耗を少なくなるよう
にしている。During the operation of the magnetic bearing, the rotor is levitated by magnetism without contacting the protection bearing.However, if any trouble occurs in the magnetic bearing or the rotor, the rotor falls out of the state of magnetic levitation and moves to the protection bearing. It comes into contact with an unstable rotation state. Normally, when an abnormality occurs in the magnetic bearing, the sensor detects it, stops the motor driving the rotor, and if necessary, decelerates the rotor while braking to stop the rotation immediately,
The wear of the magnetic bearing, especially the protective bearing, is reduced.
《発明が解決しようとする課題》 しかしながらこのようにして磁気軸受が高速回転して
いる間に異常が発生してロータを停止させる場合、その
回数が増すにつれて保護ベアリングの劣化，摩耗が進行
していく。そのため保護ベアリングの劣化，摩耗を無
視、または気付かずに運転を続けていると、次回に磁気
軸受に異常が発生した際に保護ベアリングにかじり，焼
付け等が発生し、回転不能に陥ることがある。特にベア
リングのかじりがひどい場合はロータ等の回転系に狂い
を生じ、磁気軸受部の構造によっては修理のための分解
が困難になり、修復に多大の時間と費用を要することが
ある。<< Problems to be Solved by the Invention >> However, when an abnormality occurs while the magnetic bearing is rotating at a high speed and the rotor is stopped in this way, the deterioration and wear of the protective bearing progress as the number of times increases. Go. Therefore, if operation is continued without ignoring or noticing the deterioration and wear of the protective bearing, the next time an abnormality occurs in the magnetic bearing, the protective bearing may bite, seize, etc., resulting in rotation failure. . In particular, when the bearing is severely galled, the rotation system such as the rotor may be disturbed, and depending on the structure of the magnetic bearing, it may be difficult to disassemble it for repair, and it may take a lot of time and money for repair.
このように従来の磁気軸受においては、保護ベアリン
グの劣化を早めに発見して交換しておく必要があるにも
かかわらず、保護ベアリングの劣化を検出する有効な方
法がないため、しばしば保護ベアリングのかじりを発生
させて機器の運転を停止させてしまう問題があった。As described above, in the conventional magnetic bearing, although it is necessary to detect the deterioration of the protective bearing early and replace it, there is no effective method for detecting the deterioration of the protective bearing. There is a problem that the operation of the device is stopped due to galling.
そこでこの発明は、このような問題を解消するために
なされたものであり、その目的とするところは、磁気軸
受に備えられている保護ベアリングの劣化を早期に発見
して、故障の発生を未然に防止することのできる磁気軸
受保護装置を提供することにある。Therefore, the present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to detect the deterioration of a protection bearing provided in a magnetic bearing at an early stage and prevent the occurrence of a failure. Another object of the present invention is to provide a magnetic bearing protection device that can prevent the occurrence of a magnetic bearing.
《課題を解決するための手段》 この発明は、上記目的を達成するために磁気軸受に支
承されているロータの回転数を計測する計測手段と、 磁気軸受に動作異常が発生しロータが保護ベアリング
に支承されながら停止する場合に、保護ベアリングの動
作が正常な状態において、予め設定されている低回転数
に減速されるまでの所要時間を予測し算出する算出手段
と、 上記センサが動作異常を検出すると上記計測手段が計
測した回転数を監視し、その回転数が上記低回転数に低
下するまでの時間を計測する計測手段と、この計測手段
が計測した時間が、上記算出時間の算出した所要時間に
満たない場合に、警報信号を出力する警報出力手段と、 を備えたことを特徴とする。<< Means for Solving the Problems >> In order to achieve the above object, the present invention provides a measuring means for measuring the number of revolutions of a rotor supported by a magnetic bearing; Calculating means for predicting and calculating the time required to decelerate to a preset low rotational speed in a state where the operation of the protective bearing is normal when stopping while being supported by the sensor; Upon detection, the number of revolutions measured by the measuring means is monitored, and a measuring means for measuring a time until the number of revolutions decreases to the low number of revolutions, and a time measured by the measuring means, the calculated time is calculated. And alarm output means for outputting an alarm signal when the required time is not reached.
《作用》 このように構成されたこの発明では、センサにより磁
気軸受の動作異常が検出されると、ロータの回転数が所
定回転数に低下するまでの時間が計測され、その計測時
間が、別途算出予測された保護ベアリングの正常動作状
態における減速の所要時間と比較されて予測所要時間に
満たない場合は、保護ベアリングの動作が異常であるも
のと見なされて警報信号が出力される。<< Operation >> In the present invention configured as described above, when the sensor detects the abnormal operation of the magnetic bearing, the time until the rotation speed of the rotor decreases to the predetermined rotation speed is measured, and the measurement time is separately calculated. If the calculated required time for deceleration in the normal operating state of the protective bearing is compared with the predicted required time, the operation of the protective bearing is regarded as abnormal and an alarm signal is output.
《実施例》 次に、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。<< Example >> Next, an example of the present invention will be described with reference to the drawings.
第１図は、この発明が適用される磁気軸受式のターボ
分子ポンプの構成を示し、ターボ分子ポンプ１は、ハウ
ジング２の中央縦方向に固定部３が配設され、この固定
部３の中央部に高周波モータ４が設けられている。固定
部３の上部にはそれぞれ半径方向電磁石５と半径方向セ
ンサ６、および保護用ドライベアリング7,8が、上端部
には軸方向電磁石９と軸方向センサ10が配設されて磁気
軸受を構成している。FIG. 1 shows a configuration of a turbo-molecular pump of a magnetic bearing type to which the present invention is applied. In a turbo-molecular pump 1, a fixed part 3 is disposed in a central longitudinal direction of a housing 2, and a central part of the fixed part 3 is arranged. A high frequency motor 4 is provided in the section. The upper part of the fixed part 3 is provided with a radial electromagnet 5, a radial sensor 6, and a protective dry bearing 7, 8, and the upper end is provided with an axial electromagnet 9 and an axial sensor 10, thereby constituting a magnetic bearing. doing.
また軸方向センサ10の上部には回転数センサ11が、上
下の保護用ドライベアリング7,8部には、磁気軸受の異
常を検出するための温度センサ12,12および振動センサ1
3,13がそれぞれ配設されている。A rotational speed sensor 11 is provided above the axial sensor 10, and temperature sensors 12 and 12 and a vibration sensor 1 for detecting abnormalities of the magnetic bearings are provided above and below the dry bearings 7 and 8 for protection.
3,13 are arranged respectively.
なお、図中の15はロータ翼、16はステータ翼、17は排
気口、18はエアブレーキ用ポート、19はコネクタであ
る。In the figure, 15 is a rotor blade, 16 is a stator blade, 17 is an exhaust port, 18 is an air brake port, and 19 is a connector.
このように構成されたターボ分子ポンプ１において
は、通電されると高周波モータ４がロータ翼15を回転さ
せてターボ分子ポンプとしての吸引・排気の動作を行な
う。In the turbo molecular pump 1 configured as described above, when energized, the high-frequency motor 4 rotates the rotor blades 15 to perform a suction / exhaust operation as the turbo molecular pump.
一方、ロータ翼15を支承する磁気軸受では、半径方向
電磁石５と軸方向電磁石９への供給電流が、半径方向セ
ンサ６と軸方向センサ10が検知したロータ翼15の変位に
応じて制御されることにより、ロータ翼15を磁気浮上し
高速回転を円滑に支承することができる。On the other hand, in the magnetic bearing that supports the rotor blade 15, the supply current to the radial electromagnet 5 and the axial electromagnet 9 is controlled according to the displacement of the rotor blade 15 detected by the radial sensor 6 and the axial sensor 10. Thus, the rotor blades 15 can be magnetically levitated to smoothly support high-speed rotation.
次に第２図のブロック図および第３図を参照しなが
ら、上記ターボ分子ポンプ１において、大気突入等の外
乱により磁気軸受の異常が発生した際に、保護用ドライ
ベアリング7,8の劣化が検出される動作について説明す
る。Next, referring to the block diagram of FIG. 2 and FIG. 3, in the turbo molecular pump 1, when an abnormality of the magnetic bearing occurs due to a disturbance such as entry into the atmosphere, the deterioration of the protection dry bearings 7 and 8 is prevented. The detected operation will be described.
第３図は本願装置の基本的な概念を示すグラフで、こ
のグラフはタッチダウン後に所定の回転数に低下するま
での時間との関係を示すもので、一般的に新品のベアリ
ングの場合タッチダウン後所定の回転数に低下するまで
の時間はT1であり、またやや劣化したベアリングはT2で
あり、さらにはかじり寸前のベアリングの場合にはT3を
要する。本願装置はT3を演算で算出し実際に要した時間
と比較し、これによりベアリングの状態を検出して早期
に新品のベアリングと交換しようとするものである。FIG. 3 is a graph showing the basic concept of the device of the present invention, and this graph shows the relationship with the time until the rotation speed decreases to a predetermined speed after the touchdown. rear predetermined time to decrease the rotational speed is T 1, also a bearing T 2 was slightly deteriorated, and further requires T 3 in the case of a verge galling bearings. The present device is intended for comparing the time required calculated actually at calculating the T 3, thereby detecting a condition of the bearing tries to exchange the bearings new one early.
すなわち保護ベアリング動作検出回路21には、半径方
向センサ６および軸方向センサ10からロータ翼15の変位
を表わす変位信号、温度センサ12からロータ翼15の発熱
を検知した温度信号、振動センサ13からロータ翼15の振
動を検知した振動信号が入力されており、これらの信号
内容を処理することにより、保護用ドライベアリング7,
8の動作開始を検出し、ベアリング動作信号を制御回路2
2内のタイマ回路24および設定値決定回路25へ送る。That is, the protection bearing operation detection circuit 21 includes a displacement signal representing the displacement of the rotor blade 15 from the radial sensor 6 and the axial sensor 10, a temperature signal from the temperature sensor 12 detecting heat generation of the rotor blade 15, A vibration signal that has detected the vibration of the wing 15 is input, and by processing the content of these signals, the dry bearing for protection 7,
8 Start of operation is detected and the bearing operation signal is sent to the control circuit 2.
2 to the timer circuit 24 and the set value determination circuit 25.
ブレーキ状態検出回路23は、動作異常が発生した以
後、ロータ翼15を減速するためにエアブレーキ用ポート
18からブレーキ用のエアが供給されているか否かを検出
し、その検出内容をブレーキ状態信号として制御回路22
内の設定値決定回路25に送る。なおエアブレーキ用ポー
ト18の状態以外にも、高周波モータ４に電力を供給する
インバータが回生制動中か否か、ターボ分子ポンプ内が
真空かあるいは大気突入状態であるか等を検出してブレ
ーキ状態信号として出力する。The brake state detection circuit 23 is provided with an air brake port for decelerating the rotor blades 15 after an operation abnormality occurs.
The control circuit 22 detects whether or not the brake air is supplied from 18 and uses the detected content as a brake state signal.
Is sent to the set value determination circuit 25. In addition to the state of the air brake port 18, the inverter that supplies power to the high-frequency motor 4 detects whether or not the regenerative braking is being performed, whether the inside of the turbo molecular pump is in a vacuum state or the state of being in the atmosphere, and the like. Output as a signal.
タイマ回路24は、ベアリング動作信号が入力される
と、後述する設定値決定回路25から送られた設定値信号
が指定した設定時間が設定されて計時動作を開始し、計
時した時間を現在値信号として設定値決定回路25へ送る
とともに、設定時間に到達するとタイマ信号を異常判別
回路27へ送る。When the bearing operation signal is input, the timer circuit 24 sets a set time designated by the set value signal sent from the set value determination circuit 25 described later, starts a timekeeping operation, and indicates the time measured as a current value signal. The timer signal is sent to the abnormality determination circuit 27 when the set time is reached.
設定値決定回路25は、ベアリング動作信号が入力され
ると、その時点で回転数センサ11およびブレーキ状態検
出回路23からそれぞれ送られた回転数信号，ブレーキ状
態信号の内容に基づき、保護用ドライベアリング7,8が
正常な動作状態である場合に、例えば第３図に示すよう
なかじり寸前のベアリングにおけるタッチダウン後の回
転数と時間の関係のような、ロータ翼15が減速され後述
する所定の低回転数まで低下する時間を予測により算出
し、その予測時間T3を設定値信号としてタイマ回路24へ
送る。また、設定値決定回路25は、タイマ回路24へ設定
値信号を送った後も、ブレーキ状態検出回路23からのブ
レーキ状態信号の間際に変更があった場合は、その時点
の回転数信号を読みタイマ回路24から送られる現在値信
号に基き、再び減速に要する時間を算出し設定値信号内
容を変更する。When the bearing operation signal is input, the set value determination circuit 25 determines the protection dry bearing based on the contents of the rotation speed signal and the brake state signal sent from the rotation speed sensor 11 and the brake state detection circuit 23 at that time. When 7, 8 are in a normal operating state, the rotor blades 15 are decelerated, for example, as shown in FIG. calculated by predicting the time to decrease to a low rotational speed, and sends it to the timer circuit 24 and the estimated time T 3 as a set value signal. Further, even after the set value determination circuit 25 sends the set value signal to the timer circuit 24, if there is a change immediately before the brake state signal from the brake state detection circuit 23, the set value determination circuit 25 reads the rotation speed signal at that time. Based on the current value signal sent from the timer circuit 24, the time required for deceleration is calculated again and the content of the set value signal is changed.
回転数低下検出回路26には、予め通常運転中のロータ
翼15の回転数に比べ充分に低い回転数の値が設定されて
おり、回転数センサ11からロータ翼15の回転数を表す回
転数信号が入力されると、その回転数の低下を監視し、
前述の設定値以下まで低下した時点で回転低下信号を異
常判別回路27へ送る。The rotation speed drop detection circuit 26 is set in advance to a value of the rotation speed sufficiently lower than the rotation speed of the rotor blade 15 during normal operation, and the rotation speed sensor 11 indicates the rotation speed indicating the rotation speed of the rotor blade 15. When a signal is input, monitor the decrease in the number of rotations,
At the time when the rotation speed falls below the set value, a rotation reduction signal is sent to the abnormality determination circuit 27.
異常判別回路27は、タイマ回路24からのタイムアップ
信号および回転数低下検出回路26からの回転低下信号を
監視し、T3信号経過後のタイムアップ信号の入力以前に
回転低下信号が入力されると、保護用ドライベアリング
7,8の劣化が再使用できない状態まで進んだため制動抵
抗が大きくなったものと判断し警報信号を出力する。Abnormality determination circuit 27 monitors the rotation reduction signal from the time-up signal and the rotational speed drop detection circuit 26 from the timer circuit 24, rotation reduction signal is fed to input the previous time-up signal after T 3 signals passed And protective dry bearing
Since the deterioration of 7, 8 has progressed to a state where it cannot be reused, it is determined that the braking resistance has increased, and an alarm signal is output.
制御回路22内の異常判別回路27から出力される警報信
号は図示しない表示灯、ブザーにより異常を報知する以
外に、ターボ分子ポンプの制御部のインターロック回路
を作動させて再起動を防止することもできる。The alarm signal output from the abnormality determination circuit 27 in the control circuit 22 not only notifies the abnormality by an indicator light and a buzzer (not shown) but also operates the interlock circuit of the control unit of the turbo molecular pump to prevent restart. Can also.
なお、これらの回路はマイクロコンピュータを用いて
実現すると良い。Note that these circuits are preferably implemented using a microcomputer.
この実施例では、しばしば大気突入等の外乱により、
磁気軸受のタッチダウンが発生するターボ分子ポンプに
おいて、保護用ドライベアリングの動作のたびごとに、
その劣化がチェックされるため、保護用ドライベアリン
グにかじりや焼付けが発生する以前に交換が可能とな
り、メンテナンス性が向上するとともに、磁気軸受の破
損等により発生するターボ分子ポンプの休止時間が大幅
に減少されて生産性の向上が得られトータルコストが低
減される。In this embodiment, often due to disturbance such as entry into the atmosphere,
In turbo molecular pumps where touchdown of magnetic bearings occurs, every time the dry bearing for protection operates,
Since the deterioration is checked, it is possible to replace the protective dry bearing before galling or seizure occurs, improving maintainability and greatly reducing the downtime of the turbo molecular pump caused by damage to the magnetic bearing etc. It is reduced to increase productivity and reduce total cost.
なお、実施例はターボ分子ポンプに関する磁気軸受保
護装置を説明したが、その他の磁気軸受を備えた機器に
ついてもこの磁気軸受保護装置を適用すれば同様に保護
ベアリング破損による故障の発生を未然に防止すること
ができる。In the embodiment, the magnetic bearing protection device for the turbo molecular pump is described. However, if the magnetic bearing protection device is applied to other devices equipped with a magnetic bearing, the occurrence of a failure due to the damage of the protection bearing is similarly prevented beforehand. can do.
《効果》 以上のように、この発明に係る磁気軸受保護装置で
は、磁気軸受の動作異常が検出されてロータが停止する
までの減速の程度を監視することにより、容易に保護ベ
アリングの劣化の程度を把握することができき、その結
果、保護ベアリングを早期に交換することが可能とな
り、保護ベアリングの破損や、磁気軸受自体が回転不能
に陥ることを未然に防ぐことができる効果が得られる。<< Effects >> As described above, in the magnetic bearing protection device according to the present invention, the degree of deterioration of the protection bearing can be easily determined by monitoring the degree of deceleration until the operation of the magnetic bearing is detected and the rotor stops. As a result, it is possible to replace the protection bearing at an early stage, and it is possible to prevent the protection bearing from being damaged and the magnetic bearing itself from becoming unable to rotate.
第１図はこの発明が適用されたターボ分子ポンプの構成
を示す断面図、第２図は同じく磁気軸受保護装置の電気
的構成を示すブロック図、第３図はタッチダウン後に新
品のベアリング，やや劣化したベアリング，かじり寸前
のベアリングを有するロータが所定の回転数まで低下す
る時間を示すグラフである。 １……ターボ分子 ２……ハウジング ３……固定部 ４……高周波モータ ５……半径方向電磁石 ６……半径方向センサ 7,8……保護用ドライベアリング ９……軸方向電磁石 10……軸方向センサ 11……回転数センサ 12……温度センサ 13……振動センサ 15……ロータ翼 21……保護ベアリング動作検出回路 22……制御回路 23……励起状態検出回路 24……タイマ回路 25……設定値決定回路 26……回転数低下検出回路 27……異常判別回路FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of a turbo-molecular pump to which the present invention is applied, FIG. 2 is a block diagram showing the electrical configuration of a magnetic bearing protection device, and FIG. 5 is a graph showing the time required for a rotor having a deteriorated bearing and a bearing just before galling to drop to a predetermined rotation speed. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Turbo molecule 2 ... Housing 3 ... Fixed part 4 ... High frequency motor 5 ... Radial direction electromagnet 6 ... Radial direction sensor 7, 8 ... Dry bearing for protection 9 ... Axial direction electromagnet 10 ... Shaft Direction sensor 11 Rotational speed sensor 12 Temperature sensor 13 Vibration sensor 15 Rotor blade 21 Protective bearing operation detecting circuit 22 Control circuit 23 Excited state detecting circuit 24 Timer circuit 25 … Set value determination circuit 26 …… Revolution speed drop detection circuit 27 …… Abnormality judgment circuit
Claims (1)
測手段と、 磁気軸受に動作異常が発生しロータが保護ベアリングに
支承されながら停止する場合に、保護ベアリングの動作
が正常な状態において、予め設定されている低回転数に
減速されるまでの所要時間を予測し算出する算出手段
と、 上記センサが動作異常を検出すると上記計測手段が計測
した回転数を監視し、その回転数が上記低回転数に低下
するまでの時間を計測する計測手段と、 この計測手段が計測した時間が、上記算出時間の算出し
た所要時間に満たない場合に、警報信号を出力する警報
出力手段と、 を備えたことを特徴とする磁気軸受保護装置。1. A sensor for detecting an abnormal operation of a magnetic bearing, a measuring means for measuring the number of rotations of a rotor supported by the magnetic bearing, and an abnormal operation of the magnetic bearing occurs and the rotor is supported by a protective bearing. A calculation means for predicting and calculating a time required for deceleration to a preset low rotational speed in a state where the operation of the protective bearing is normal when stopping, and a measurement when the sensor detects an abnormal operation. Means for monitoring the number of revolutions measured by the means, and measuring the time until the number of revolutions decreases to the low number of revolutions, wherein the time measured by the measuring means satisfies the required time calculated by the above calculation time And a warning output means for outputting a warning signal when there is no magnetic bearing.
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Legal Events
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
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| S531 | Written request for registration of change of domicile |
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
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| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |