JP3576397B2

JP3576397B2 - 高速回転体に用いる磁気軸受の通電制御方法とその制御回路

Info

Publication number: JP3576397B2
Application number: JP28036298A
Authority: JP
Inventors: 勝久外山
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1998-10-01
Filing date: 1998-10-01
Publication date: 2004-10-13
Anticipated expiration: 2018-10-01
Also published as: JP2000110835A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は負荷に連結された回転軸若しくは該回転軸と一体的に回転する磁性部材（以下回転軸部という）を挟んで、夫々対称位置に配置した各対毎の磁気軸受の通電制御により前記回転軸部を空中維持しながら、該回転軸部を高速回転させるターボ分子ポンプ等の高速回転体の磁気軸受の通電制御方法とその制御回路に係り、特に半導体製造装置等に装備され、上部ケーシング内に設けられた静翼と回転軸に設けられた動翼とで構成された動静翼段を備えたターボ分子ポンプに用いる磁気軸受の通電制御方法とその制御回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、球軸受や転がり軸受のように機械的に回転体や直線移動体を支持する機械的軸受の代りに、磁気の力により前記回転体や直線移動体を支持する磁気軸受は公知である。
かかる磁気軸受は従来の流体潤滑軸受よりロスが小さく、軸受のドライ化、雰囲気のクリーン化を図り得、特に真空状態では有用な軸受であるために、ターボ分子ポンプ等の直結モ−タにより高速駆動される高速回転体は回転部の軸受として多用されている。
このような磁気軸受を有するターボ分子ポンプの構成を図４に示す。
【０００３】
図４は本発明に適用されるターボ分子ポンプの１例を示し、図４（Ａ）において、１及び１６は、ボルト２１によりＯリング１５を介して一体的に組付けられている上部ケーシング及び下部ケーシングである。
該上部ケーシング１の上部開口はガス吸気口２となすとともに、その内側にはリング状空隙を介して複数のスペーサ１３が軸方向に連設されている。
該スペーサ１３は上端を前記上部ケーシング１の内端面に当接され、下端を前記下部ケーシング１６の上端部にインロー嵌合されており、各スペーサ１３の間には静翼４がその外周部を挟持固定されて、多段状に設けられている。
【０００４】
６はロータで、該ロータ６には動翼５が多段状に設けられ、各動翼５と静翼４とが交互に噛み合う如く設けられての翼段を構成している。前記ロータ６の下部にはねじ溝ポンプ段８が設けられている。
１４は複数のボルト１８により前記下部ケーシング１６の上面に固定されたテーパ状のシールリングで、前記ねじ溝ポンプ段８の外周と微小間隙を介して対向配置され、圧縮効果を上げている。
【０００５】
前記下部ケーシング１６の下方側部には排気口３が開口され、前記ねじ溝ポンプ段８を通ってきた流体が該排気口３から外部に送出されるようになっている。
１７は前記下部ケーシング１６の中心域において上方に突設された円筒状の支持筒で、該支持筒１７の内周には上部から順に、ラジアル玉軸受からなる上部保護軸受１９、ラジアル軸受である上部磁気軸受９、モータ１２のステータ部１２ａ、ラジアル軸受である下部磁気軸受１０、ラジアル玉軸受からなる下部保護軸受２０、並びに後述する回転軸７の下端のスラストディスク７ａを挟んで設けられたスラスト磁気軸受１１が配設されている。
【０００６】
７は前記ロータ６の上部中心に固定された回転軸で、該回転軸７は前記ロータ６への固定部から軸方向に垂下され、上部から順に、上部磁気軸受９及び下部磁気軸受１０に、半径方向荷重をそれぞれ支承され、下端に設けられた円盤状の磁性板からなるスラストディスク７ａが前記スラスト磁気軸受１１に挟まれて、スラスト方向（軸心方向）の空中維持制御を行なっている。
【０００７】
前記回転軸７には、前記上部磁気軸受９と下部磁気軸受１０との間に設けられた前記モータ１２のステータ１２ａに対向して回転子１２ｂが固着されている。
【０００８】
また、該回転軸７の前記上部磁気軸受９の上側は前記上部保護軸受１９が設けられて該回転軸７と上部保護軸受１９とのラジアル方向の間隔を所要の値に設定している。
さらに、該回転軸７の前記下部磁気軸受１０の下側は前記下部保護軸受２０が設けられて、該回転軸７と下部保護軸受２０とのラジアル方向及びスラスト方向の間隔を所要値に設定している。
【０００９】
次に上部磁気軸受９及び下部磁気軸受１０の磁極は、図４（Ｂ）に示すように、回転軸７の軸心（Ｚ軸）と直交する面内において、左右（Ｘ軸）及び前後（Ｙ軸）方向に夫々一対づつ配設され、前記回転軸７が倒れを生じることなく中心軸線上に空中維持可能に構成されている。
従って、該回転軸７は、該上部磁気軸受９及び下部磁気軸受１０により左右（Ｘ軸）及び前後（Ｙ軸）方向を、前記スラスト磁気軸受１１により軸心（Ｚ軸）方向を、つまり５軸方向を空中支持、かつ制御されて回転することとなる。
【００１０】
上記のように構成されたターボ分子ポンプＡの運転時において、
前記各磁気軸受９、１０、１１に通電し回転軸７、動翼５を有するロータ６等のポンプ回転部を空中維持した状態で、モータ１２を駆動し、前記ポンプ回転部を例えば１０，０００〜１００，０００ｒ．ｐ．ｍで高速回転させる。該ポンプ回転部の高速回転により動翼５が静翼４の間を回転し、かつねじ溝ポンプ段８がテーパ状のシールリング１４の内周面と対面しながら回転することによって、真空排気されるガスが上方のガス吸気口２から動翼５と静翼４との間で第１段の圧縮がなされた後、ねじ溝ポンプ段８の螺旋状溝通路で第２段階圧縮がなされ、ポンプ内ガス通路を経て排気口３の方向に流れることによって、ガス吸気口２側が高真空に保持される。
【００１１】
そして、前記上・下部磁気軸受９、１０及びスラスト磁気軸受１１の磁気制御に異常をきたし、前記回転軸７が片側に偏心した際には、前記上部保護軸受１９と下部保護軸受２０に該回転軸７の外周が当接（タッチダウン）することにより、該回転軸７及びロータ６の回転を保証する。
【００１２】
かかるターボ分子ポンプに取り付けられる電源ユニットは、図３のような構成を有す。
図３は、本発明の適用されるターボ分子ポンプユニットＡと電源ユニットＢの要部ブロック構成を示し、ポンプユニットＡ側には前記したようにロータ６及びこれに直結され回転軸７（以下これらを含めて回転体という）を浮上制御する磁気軸受９、１０、１１と、該磁気軸受９、１０、１１と回転体間の空隙を検知する位置センサ２４，２５，２６を具えている。
【００１３】
一方電源ユニットＢ側には前記ポンプユニットＡ側の回転軸７に直結されたモータ１２を高速駆動するモータ駆動回路３４（例えばインバータ回路を含む電源回路）が組込まれ、前記モータ１２の回転制御を行なう。
一方、磁気軸受側の制御は、上部磁気軸受９については該上部磁気軸受９近傍の位置センサ２４の信号を受けて、又下部磁気軸受１０については該下部磁気軸受１０近傍の位置センサ２５の信号を受けて、更にスラスト磁気軸受１１については該スラスト磁気軸受１１近傍の位置センサ２６の信号を受けて、夫々独立した制御手段により行なわれている。
【００１４】
その一例を上部磁気軸受９の制御を代表して説明するに、該制御手段は、位置センサ２４の信号を受けて、その偏差量に基づいて回転軸７のラジアル方向の浮上位置を中心に保持させる制御信号を送出する磁気軸受制御回路３２と、前記制御信号に基づいてパルス幅変調されたパルス信号に基づいてスイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ制御しながら上部磁気軸受９の駆動制御を行なう磁気軸受駆動回路３３、及び磁気軸受駆動電源３１が組み込まれている。
【００１５】
そして前記磁気軸受制御回路３２は、例えば実用新案登録第２５２２１６８号等に開示してあるように、位置センサ２４よりの検知信号は偏差増幅器等の不図示の位置フィードバックゲインを介してその基準位置との偏差信号に変換した後、ローパスノッチフィルタに取込み、該ローパスノッチフィルタで中高周波数帯域のノイズ等の不安定化部分を広範囲に亙って阻止する。
そして前記ローパスノッチフィルタ通過後のフィードバック信号は比例要素、積分要素、微分要素であるＰＩＤ制御回路を通した後、回転軸７の構造による数次の固有振動数を安定化するための位相補償回路を通して制御電流を得る。
【００１６】
そして前記位置センサ２４Χ、２４Ｙ及び磁気軸受制御回路３２Χ、３２Ｙは、図４に示すように各座標軸（Χ，Ｙ）毎に設けられ、一方磁気軸受９の磁極も座標軸（Χ，Ｙ）毎に回転軸７を挟んで対向する位置に夫々一対ずつ設けられている。
即ち、各座標軸（Χ，Ｙ）毎の一の磁極と回転軸７を挟んで反対側に位置する対向磁極は基準位置よりの偏差量が正逆対称量であるために、各座標軸（Χ，Ｙ）毎の磁気軸受制御回路３２Χ、３２Ｙの制御信号を一の磁極についてはそのまま、又対向磁極については反転させて磁気軸受駆動制御回路３３に送信すればよい。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
さて前記ターボ分子ポンプは高速回転が行なわれるために、該ポンプの安定回転を図るために前記磁気軸受駆動制御回路３３には高速応答性が要求される。
この為、前記磁気軸受駆動制御回路３３のスイッチング素子には、可変抵抗型のトランジスタを用いていたが、かかるスイッチング素子では、抵抗損失による発熱が大きい為に、ヒートシンク等の放熱手段を設けねばならず、回路構成が大型化する。
この為、前記スイッチング素子にＦＥＴトランジスタを用い、前記磁気軸受制御回路３２Χ、３２Ｙの制御信号若しくは反転制御信号に対応させて変調させたパルス幅変調信号を前記トランジスタのベース側に印加させて前記スイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ制御させて通電制御を行なっている。
【００１８】
かかる磁気軸受駆動制御回路３３を上部磁気軸受９について図２に基づいて説明するに、各座標軸（Χ，Ｙ）毎に位置センサ２４Χ、２４Ｙ及び磁気軸受制御回路３２Χ、３２Ｙが設けられ、各磁気軸受制御回路３２Χ、３２Ｙの制御信号をそのまま若しくは夫々反転回路４１により反転させ、更に前記制御信号若しくは反転制御信号にバイアス回路４９に生成されたバイアス重畳制御信号を夫々の磁極のパルス幅変調回路４２に投入し、前記制御信号若しくは反転制御信号に対応する変調パルスを各座標軸（Χ，Ｙ）毎に夫々一対づつ設けられた磁極夫々の下流側に接続されたスイッチング素子４３ＹＬ、４３ＹＲ…のＦＥＴトランジスタ４４のベース側に印加させ、該スイッチング素子４３ＹＬ、４３ＹＲ…を介して直流電源３１と接続された前記夫々の磁極コイル９ＹＬ、９ＹＲ…のＯＮ／ＯＦＦ通電制御を行なっている。図中４６は逆流防止用ダイオードであり、又スイッチング素子４３ＹＬ、４３ＹＲ…の下流側はＦＥＴトランジスタ４４とダイオード４５からなり、その下流側はアースされている。
【００１９】
かかるスイッチング素子４３ＹＬ、４３ＹＲ…にＦＥＴトランジスタ４４を用いている為に、熱抵抗損失は小さく、該ヒートシンク等の放熱手段を設ける必要がなく、例え設けても小さくて済むが、一方前記ＦＥＴトランジスタ４４は後記に詳説するように、応答性が落ちる欠点があり特にターボポンプ等の高速回転体においての高速応答性が確保できない。
この為、前記図２に示す磁気軸受駆動制御回路３３において前記直流電源３１（磁気軸受駆動電源３１）の印加電圧を上げるか、若しくは転流抵抗追加の方法で対処している。
【００２０】
しかしながら前者の方法では、電源容量が大きくなり大型化と高価格化につながる。又、後者の方法では、抵抗損失が大きくなり、抵抗の容量大及びヒートシンク等の冷却対策が必要となり大型化する。
【００２１】
本発明は、かかる技術的課題に鑑み、ターボ分子ポンプ等の高速回転体の磁気軸受において、ヒートシンク等の冷却対策を必要とすることなく、有効に高速応答性が確保できる通電制御方法とその制御回路を提供することを目的とする。
本発明の他の目的は、回路構成を簡単化しつつ高速応答性が確保できる通電制御方法とその制御回路を提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するために、請求項１記載の発明は、負荷に連結された回転軸若しくは該回転軸と一体的に回転する磁性部材（以下回転軸部という）を挟んで、夫々対称位置に配置した各対毎の磁気軸受の通電制御により前記回転軸部を空中維持しながら、該回転軸部を高速回転させる高速回転体に用いる磁気軸受の通電制御方法において、
前記回転軸部と磁気軸受との空隙変動に応じて、前記磁気軸受を構成する電磁石磁極コイル９ＹＬ、９ＹＲ…に流す通電電流の制御を、スイッチング素子４３ＹＬ、４３ＹＲ…に印加されるＯＮ／ＯＦＦパルスにより行なうとともに、該夫々の磁極コイル９ＹＬ、９ＹＲ…の電流エネルギーを、前記一の磁極コイルへのパルスＯＦＦ毎に、回転軸部の対向位置にある他側磁極コイル（以下対向磁極という）へ転流させて行なうことを特徴とする。
【００２３】
尚、スイッチング素子４３ＹＬ、４３ＹＲ…に印加されるＯＮ／ＯＦＦパルスはパルス幅変調パルス（ＰＭＷ）のみならず、周波数変調パルスを用いてもよい。
【００２４】
かかる発明によれば、回転軸部を挟んで対称に配置した一対の磁極コイル９ＹＬ、９ＹＲ…の内、一の磁極コイル９ΧＲ、９ＹＲはパルスＯＮ時に、前記直流電源３１より直接電流を流すが、一方該一の磁極コイル９ΧＲ、９ＹＲへのパルスＯＦＦ時に対向磁極コイル９ΧＬ、９ＹＬには一の磁極コイル９ΧＲ、９ＹＲにダイオード４６が接続されている為に、一の磁極コイル９ΧＲ、９ＹＲのエネルギーを対向磁極コイル９ΧＬ、９ＹＬ側に流すことが出来る。
この結果一の磁極コイル９ΧＲ、９ＹＲのパルスＯＦＦ時のエネルギーを対向磁極コイル９ΧＬ、９ＹＬ側に供給し、速やかに消費することが出来、次に対向磁極コイル９ΧＬ、９ＹＬのパルスＯＦＦ時のエネルギーも一の磁極コイル９ΧＲ、９ＹＲ側に供給し、速やかに消費することが出来る。
【００２５】
従って、回転軸部を挟んで対称に配置した一対の磁極コイル９ＹＬ、９ＹＲ…はパルスＯＦＦ毎に、他側磁極コイル側にエネルギーを供給し、速やかに消費することが出来る為に、抵抗損失が発生することなく又ヒートシンク等の冷却対策を必要とすることなく、有効に高速応答性が確保できる。
【００２６】
請求項３記載の発明は、前記請求項１記載の発明を効果的に実施するための回路構成に関する発明で、前記構成のターボ分子ポンプその他の高速回転体において、
前記回転軸部と磁気軸受との空隙変動に応じて、前記磁気軸受を構成する電磁石磁極コイル９ＹＬ、９ＹＲ…に流す通電電流の制御を行なう第一の制御回路３３Ａを具え、該第一の制御回路３３Ａが、夫々の磁極コイル９ＹＬ、９ＹＲ…に接続されたスイッチング素子４３ＹＬ、４３ＹＲ…のＯＮ／ＯＦＦ制御を、空隙変動に応じて制御されるパルス印加により行なうとともに、前記スイッチング素子４３ＹＬ、４３ＹＲ…の上流側で回転軸部の対向位置にある一対の磁極コイル９ＹＬ、９ＹＲ…同士を接続させ、該夫々の磁極コイル９ＹＬ、９ＹＲ…の電流エネルギーを、一の磁極コイル９ΧＲ、９ＹＲへのパルスＯＦＦ毎に、対向位置にある他側磁極コイル９ΧＬ、９ＹＬへ転流させることを特徴とする。
【００２７】
この場合、請求項２記載のように、前記夫々の磁気軸受の静的剛性を上げるために夫々の磁極コイル９ＹＬ、９ＹＲ…に流すバイアス電流の通電系統を請求項１の通電系統と別系統にするのがよい。
【００２８】
例えば上部磁気軸受はΧ−Ｙ二軸の座標軸に夫々一対づつ、計４個の磁極９ＹＬ、９ＹＲ…を必要とし、従来は個々の磁極９ＹＬ、９ＹＲ…毎にバイアス電流を印加しなければならず、この為上記ターボポンプの回転軸７のように、上部磁気軸受９及び下部磁気軸受１０により左右（Ｘ軸）及び前後（Ｙ軸）方向に夫々一対ずつ、又前記スラスト磁気軸受１１により軸心（Ｚ軸）方向に一対の磁極を有して、いわゆる５軸で空中支持を行なう装置においては、バイアス回路は前記磁極の数だけ１０回路設けるか、若しくは図２に示すように、前記磁気制御回路３２よりの制御信号若しくは反転制御信号をパルス幅変調回路４２に投入する際に、バイアス回路４９に生成されたバイアス信号を前記制御信号に重畳して、該バイアスを重畳した制御信号若しくは反転制御信号夫々の磁極のパルス幅変調回路４２に投入して制御しようとすると、対向する二つの磁極（例えば９ＸＲ，９ＸＬ）に同時に電流が流れ、前記制御信号若しくは反転制御信号による空中支持電流制御に対し、高精度な磁気軸受制御が出来ない。
また、同時に電流が流れることにより、他極へ電流を転流させることができなくなり、応答性の改善を図ることができない。
【００２９】
一方本発明によれば、上部磁気軸受９及び下部磁気軸受１０スラスト磁気軸受１１夫々の磁気軸受における磁極コイル９ＹＬ、９ＹＲ…のインダクタンス及び抵抗が同一であるために、夫々の磁気軸受毎にバイアス電源を共通化して、バイアス電流の通電系統を請求項１の通電系統と別系統にすることにより、上部磁気軸受９及び下部磁気軸受１０スラスト磁気軸受１１夫々の磁気軸受毎に一回路、計３回路のバイアス回路で足りる。
又バイアス電流の通電系統を請求項１の通電系統と別系統にすることにより、バイアス電流の印加と回転軸部と磁気軸受との空隙変動に応じた通電電流の制御が夫々独立して高精度に行なわれ、高精度な磁気軸受制御が可能となる。
【００３０】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の第一の制御回路３３Ａと、
前記夫々の磁気軸受の静的剛性を上げるために夫々の磁極コイル９ＹL、９ＹR…にバイアス電流を流す第二の制御回路３３Ｂとを具え、
前記二つの制御回路が夫々別系統で前記磁極コイル９ＹL、９ＹR…に電流印加可能に構成したことを特徴とする。
【００３１】
請求項５記載の発明は請求項４記載の発明を具体化したもので、前記回転軸のラジアル方向の二座標軸（Χ軸、Ｙ軸）の位置制御を行なう為に、回転軸に対向して少なくとも二対の磁極コイル９ＹＬ、９ＹＲ…を具えた一又は複数のラジアル磁気軸受と、
前記回転軸のスラスト方向の座標軸（Ｚ軸）の位置制御を行なう為に、回転軸と直交する磁性板に対向して少なくとも一対の磁極コイル９ＹＬ、９ＹＲ…を具えたスラスト磁気軸受とを具えた通電制御回路において、
前記ラジアル磁気軸受若しくはスラスト磁気軸受内の複数の磁極コイル９ＹＬ、９ＹＲ…群が、夫々対応する磁気軸受毎に共通する一のバイアス電流通電回路（第二の制御回路３３Ｂ）によりバイアス電流が印加可能に構成されていることを特徴とする。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がないかぎりは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００３３】
図１は本発明の実施形態に係る上部磁気軸受９の磁気軸受制御回路３３で図２と同様な対応図を示すブロック図である。
即ち、本実施形態においても図２と同様に、各座標軸（Χ，Ｙ）毎に位置センサ２４Χ、２４Ｙ及び磁気軸受制御回路３２Χ、３２Ｙが設けられ、各磁気軸受制御回路３２Χ、３２Ｙの制御信号を夫々の磁極のパルス幅変調回路４２に投入し、前記制御信号若しくは反転制御信号に対応する変調パルスをそのまま若しくは夫々反転回路４１により反転させて各座標軸（Χ，Ｙ）毎に夫々一対づつ設けられた磁極のスイッチング素子４３ＹＬ、４３ＹＲ…のＦＥＴトランジスタ４４のベース側に印加させ、該スイッチング素子４３ＹＬ、４３ＹＲ…を介して直流電源３１と直接若しくは間接的に接続された前記夫々の磁極コイル９ＹＬ、９ＹＲ…のＯＮ／ＯＦＦ通電制御を行なっている。
【００３４】
即ちより具体的に説明するに、前記一対の磁極コイル９ＹＬ、９ＹＲ…の内、一の磁極コイル９ΧＲ、９ＹＲのアノード（上流）側にはダイオード４７を介して直流電源３１を接続して該一の磁極コイル９ΧＲ、９ＹＲ下流側に設けたスイッチング素子４３ΧＲ、４３ＹＲを接続するとともに、該スイッチング素子４３ΧＲ、４３ＹＲの上流側で分岐し、該分岐線路を逆流防止ダイオード４６を介して回転軸７を挟んで対称位置にある対向磁極コイル９ΧＬ、９ＹＬのアノード側に接続させ、該一の磁極コイル９ΧＲ、９ＹＲへのスイッチング素子４３ΧＲ、４３ＹＲがＯＦＦ毎に、言換えれば下流側に設けた対応磁極のスイッチング素子４３ΧＬ、４３ＹＬのＯＮ毎に、一の磁極コイル９ΧＲ、９ＹＲの電流エネルギーを対向磁極コイル９ΧＬ、９ＹＬへ転流させるように構成している。
【００３５】
一方回転軸７を挟んで対称位置にある対向磁極コイル９ΧＬ、９ＹＬも同様に、該磁極コイル９ΧＬ、９ＹＬのＯＮ／ＯＦＦ通電制御を行なうスイッチング素子４３ΧＬ、４３ＹＬの上流側で、逆流防止用ダイオード４６を介して対称位置にある前記一の磁極コイル９ΧＲ、９ＹＲに接続させるとともに、前記と同様に対向磁極のスイッチング素子４３ΧＬ、４３ＹＬのＯＦＦ毎に、該対向磁極コイル９ΧＬ、９ＹＬの電流エネルギーを一の磁極コイル９ΧＲ、９ＹＲへ転流させるように構成している。
【００３６】
一方磁気軸受９の静的剛性を上げるために夫々の磁極コイル９ＹＬ、９ＹＲ…にバイアス電流を流すバイアス駆動制御回路３３Ｂは、前記位置センサ２４により検知された回転軸部と磁気軸受との空隙変動に応じて、前記磁極コイル９ＹＬ、９ＹＲ…に流す通電電流の制御を行なう前記第一の駆動制御回路３３Ａと別系統で前記磁極コイル９ＹＬ、９ＹＲ…に電流を印加可能に構成している。
【００３７】
かかるバイアス駆動制御回路３３Ｂは、前記第一の駆動制御回路３３Ａの直流電源３１を電圧変換器（１次側−２次側が絶縁できるもの）５２によりバイアス直流電源を設定した後、該電源５２を夫々の磁極コイル９ＹＬ、９ＹＲ…に順次接続した後、ダイオード４８を介し、ＦＥＴトランジスタ５４とダイオード５５からなるバイアス用スイッチング素子５３に接続させる。
そして前記ＦＥＴトランジスタ５４のベース側には、パルス幅変調回路５１にてパルス幅変調されたバイアス制御信号が印加され、これにより前記夫々の磁極コイル９ＹＬ、９ＹＲ…にバイアス制御信号により制御された一定バイアス電流が、前記第一の駆動制御回路３３Ａの制御電流に重畳されて通電されることになる。尚、５０はバイアス回路である。
【００３８】
かかる実施形態によれば、回転軸部を挟んで対称に配置した一対の磁極コイル９ＹＬ、９ＹＲ…夫々に対応するスイッチング素子４３ＹＬ、４３ＹＲ…のベース側に正転パルス幅変調信号と反転された正転パルス幅変調信号が印加される訳であるが、前記一対の磁極コイル９ＹＬ、９ＹＲ…の内、一の磁極コイル９ΧＲ、９ＹＲにバイアス駆動制御回路３３Ｂによりバイアス電流が通電された状態で、対応するスイッチング素子４３ΧＲ、４３ＹＲが前記変調信号によりＯＮされると、前記直流電源３１より一の磁極コイル９ΧＲ、９ＹＲに電流がダイオード４７を介して通電される。
【００３９】
一方対向磁極コイル９ΧＬ、９ＹＬには対応するスイッチング素子４３ΧＬ、４３ＹＬの上流側で逆流防止用ダイオード４６を介して対称位置にある前記一の磁極コイル９ΧＲ、９ＹＲに接続されているために、前記対向磁極コイル９ΧＬ、９ＹＬにバイアス駆動制御回路３３Ｂによりバイアス電流が通電された状態で、対応するスイッチング素子４３ＹＬ、４３ＹＲ…が前記変調信号によりＯＮされると、言換えれば一の磁極コイル９ΧＲ、９ＹＲへのパルスＯＦＦ時に一の磁極コイル９ΧＲ、９ＹＲの電気エネルギーが消費されるとともに、直流電源３１を対向磁極コイル９ΧＬ、９ＹＬ側に流して前記対向磁極コイル９ΧＬ、９ＹＬの通電を行なうことが出来る。
【００４０】
従って、かかる実施形態によれば、回転軸部を挟んで対称に配置した一対の磁極コイル９ＹＬ、９ＹＲ…はパルスＯＦＦ毎に、該一の磁極コイル９ΧＲ、９Ｙの電流エネルギーを対向磁極コイル９ΧＬ、９ＹＬ側に供給し、速やかに消費しながら通電制御を行なうことが出来るために、抵抗損失が発生することなく又ヒートシンク等の冷却対策を必要とすることなく、有効に高速応答性が確保できる。
【００４１】
尚、前記上部磁気軸受９における磁極コイル９ＹＬ、９ＹＲ…のインダクタンス及び抵抗が同一であるために、バイアス電源を共通化して、バイアス電流の通電系統を別系統にすることにより、上部磁気軸受９のバイアス駆動制御回路３３は一系統で足りる。
【００４２】
【発明の効果】
以上記載のごとく請求項１及び３記載の発明によれば、ターボ分子ポンプ等の高速回転体の磁気軸受において、ヒートシンク等の冷却対策を必要とすることなく、有効に高速応答性が確保できる。
【００４３】
又請求項２及び４記載の発明によれば、回路構成を簡単化しつつ高速応答性が確保できる。又バイアス電流の通電系統を請求項１の通電系統と別系統にすることにより、バイアス電流の印加と回転軸部と磁気軸受との空隙変動に応じた通電電流の制御が夫々独立して高精度に行なわれ、高精度な磁気軸受制御が可能となる。
【００４４】
更に請求項５記載の発明によれば、回転軸のラジアル方向の二座標軸（Χ軸、Ｙ軸）の位置制御を行なう為に、上部軸受と下部磁気軸受からなるラジアル磁気軸受と、前記回転軸のスラスト方向の座標軸（Ｚ軸）の位置制御を行なうスラスト磁気軸受とを具えたターボ分子ポンプに好適に適用させることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る上部磁気軸受の磁気軸受制御回路で図２と同様な対応図を示すブロック図である。
【図２】従来技術に係る上部磁気軸受の磁気軸受制御回路を示すブロック図である。
【図３】本発明が適用されるターボ分子ポンプのポンプユニットＡと電源ユニットＢの要部ブロック構成を示すブロック図である。
【図４】本発明が適用されるターボ分子ポンプの全体断面図である。
【符号の説明】
Ａポンプ本体
Ｂ電源ユニット
５動翼
７回転軸
９上部磁気軸受
９ＹＬ、９ＹＲ… 磁極コイル
１０下部磁気軸受
１１スラスト磁気軸受
２４Χ、２４Ｙ位置センサ
３１磁気軸受駆動電源
３２Χ、３２Ｙ磁気軸受制御回路
３３Ａ第一の駆動制御回路
３３Ｂバイアス駆動制御回路（第二の駆動制御回路）
４１反転回路
４２パルス幅変調回路
４３ＹＬ、４３ＹＲ… 磁極のスイッチング素子
４４ＦＥＴトランジスタ
４６逆流防止用ダイオード
５２電圧変換器（バイアス直流電源）
５３バイアス用スイッチング素子

Claims

負荷に連結された回転軸若しくは該回転軸と一体的に回転する磁性部材（以下回転軸部という）を挟んで、夫々対称位置に配置した各対毎の磁気軸受の通電制御により前記回転軸部を空中維持しながら、該回転軸部を高速回転させる高速回転体において、
前記回転軸部と磁気軸受との空隙変動に応じて、前記磁気軸受を構成する電磁石磁極コイルに流す通電電流の制御を、スイッチング素子に印加されるＯＮ／ＯＦＦパルスにより行なうとともに、該夫々の磁極コイルの電流エネルギーを、前記一の磁極コイルへのパルスＯＦＦ毎に、回転軸部の対向位置にある他側磁極コイルへ転流させて行なうことを特徴とする高速回転体に用いる磁気軸受の通電制御方法。
前記夫々の磁気軸受の静的剛性を上げるために夫々の磁極コイルに流すバイアス電流の通電系統を請求項１の通電系統と別系統にしたことを特徴とする請求項１記載の磁気軸受制御方法。
負荷に連結された回転軸部を挟んで、夫々対称位置に配置した各対毎の磁気軸受の通電制御により前記回転軸部を空中維持しながら、該回転軸部を高速回転させる高速回転体において、
前記回転軸部と磁気軸受との空隙変動に応じて、前記磁気軸受を構成する電磁石磁極コイルに流す通電電流の制御を行なう第一の制御回路を具え、該第一の制御回路が、夫々の磁極コイルに接続されたスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ制御を、空隙変動に応じて制御されるパルス印加により行なうとともに、前記スイッチング素子の上流側で回転軸部の対向位置にある一対の磁極コイル同士を接続させ、該夫々の磁極コイルの電流エネルギーを、一の磁極コイルへのパルスＯＦＦ毎に、対向位置にある他側磁極コイルへ転流させることを特徴とする高速回転体に用いる磁気軸受の通電制御回路。
請求項３記載の第一の制御回路と、
前記夫々の磁気軸受の静的剛性を上げるために夫々の磁極コイルにバイアス電流を流す第二の制御回路とを具え、
前記二つの制御回路が夫々別系統で前記磁極コイルに電流印加可能に構成したことを特徴とする請求項３記載の高速回転体に用いる磁気軸受の通電制御回路。
前記回転軸のラジアル方向の二座標軸（Χ軸、Ｙ軸）の位置制御を行なう為に、回転軸に対向して少なくとも二対の磁極コイルを具えた一又は複数のラジアル磁気軸受と、
前記回転軸のスラスト方向の座標軸（Ｚ軸）の位置制御を行なう為に、回転軸と直交する磁性板に対向して少なくとも一対の磁極コイルを具えたスラスト磁気軸受とを具えた請求項４記載の通電制御回路において、
前記ラジアル磁気軸受若しくはスラスト磁気軸受内の複数の磁極コイル群が、夫々対応する磁気軸受毎に共通する第二の制御回路によりバイアス電流が印加可能に構成されていることを特徴とする通電制御回路。