JP3986293B2

JP3986293B2 - 磁気軸受け制御装置、ターボ分子ポンプおよび磁気軸受け制御方法

Info

Publication number: JP3986293B2
Application number: JP2001341158A
Authority: JP
Inventors: 勝久外山
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-11-06
Filing date: 2001-11-06
Publication date: 2007-10-03
Anticipated expiration: 2021-11-06
Also published as: JP2003139136A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁石が発生する吸引力によって、軸を非接触状態で支持する磁気軸受けを制御する磁気軸受け制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気軸受けによって軸を非接触状態で支持するためには、軸を、磁気軸受けを構成する電磁石のコアの端面間の中心に保つ必要がある。このため、軸と、電磁石のコアの端面との距離を一定に保つ制御が行われる。この制御は、軸と、電磁石のコアの端面との距離を検出し、検出した距離に応じて、電磁石が発生する吸引力を変化させることによって行われる。電磁石が発生する吸引力を変化させるには、電磁石をＰＷＭ制御すればよい。ＰＷＭ制御とは、オン（ＯＮ）とオフ（ＯＦＦ）とが繰り返される電流パルスによって電磁石を駆動し、電流パルスのオン（ＯＮ）時間とオフ（ＯＦＦ）時間との比（デューティ）を変化させる制御のことである。
【０００３】
ところで、軸と電磁石のコアの端面との距離を検出するためにセンサを設けるとコストアップ等の問題が発生するので、センサレスで軸と電磁石のコアの端面との距離を検出することが望ましい。ここで、軸と電磁石のコアの端面との距離は、ＰＷＭ制御時に電磁石に流す電流の波形の時間微分値（電流の変化率）の絶対値に比例することが知られている。そこで、従来のセンサレスの磁気軸受け制御装置においては、ＰＷＭ制御時に電磁石に流す電流の波形の時間微分値の絶対値に比例定数をかけることによって、軸と電磁石のコアの端面との距離を算出していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、磁気軸受けの定常剛性を変化させるため、電磁石に流す電流の波形の波高値（最大値）を変化させる必要がある場合がある。例えば、軸の姿勢すなわち軸が水平であるか垂直であるかによって、電磁石に流す電流の波形の波高値を変化させる必要がある場合がある。これは、軸が水平であれば、軸の重さを軸の上側に設けられた電磁石が発生する吸引力で支える必要があるが、軸が垂直であれば、そのような必要はないからである。また、軸に取り付けられる回転体の重さの偏り具合によって、電磁石に流す電流の波形の波高値を変化させる必要がある場合がある。
【０００５】
電磁石に流す電流の波形の波高値を変化させると、軸と電磁石のコアの端面との距離と、ＰＷＭ制御時に電磁石に流す電流の波形の時間微分値の絶対値との比率が変化する。すると、従来の方法では、軸と電磁石のコアの端面との正確な距離を算出することができなくなる。
【０００６】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、電磁石に流す電流の波形の波高値を変化させた場合であっても、軸と電磁石のコアの端面との正確な距離を算出することができる磁気軸受け制御装置を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、電磁石に流す電流をＰＷＭ制御することによって、前記電磁石が発生する吸引力を変化させ、軸を非接触状態で支持する磁気軸受けを制御する磁気軸受け制御装置であって、前記電磁石に流れる電流を検出する電流検出手段と、この電流検出手段によって検出された電流から、前記軸と電磁石との距離を算出する演算手段と、この演算手段によって算出された距離に基づいて、前記電磁石に流す電流をＰＷＭ制御するＰＷＭ制御手段とを有し、前記演算手段は、前記電流検出手段によって検出された電流の時間微分値を算出する微分手段と、この微分手段によって算出された時間微分値の絶対値を算出する絶対値算出手段と、この絶対値算出手段によって算出された絶対値に定数をかけた値を算出する定数乗算手段と、この定数乗算手段によって算出された値に、補正係数Ｂ／（Ａ×ｉ ₀ ＋Ｂ）をかけた値を、前記軸と電磁石との距離とする補正手段とを有することを特徴とする磁気軸受け制御装置である。ただし、前記ｉ ₀ は、前記電流検出手段によって検出された電流の波高値であり、前記ＡおよびＢは、予め求められた定数である。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、前記ＡおよびＢは、前記電流の波高値と、前記電流の時間微分値の絶対値を前記距離で割った値との関係から求められた定数であることを特徴とする請求項１に記載の磁気軸受け制御装置である。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の磁気軸受け制御装置を備えたことを特徴とするターボ分子ポンプである。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、電磁石に流す電流をＰＷＭ制御することによって、前記電磁石が発生する吸引力を変化させ、軸を非接触状態で支持する磁気軸受けを制御する磁気軸受け制御方法であって、前記電磁石に流れる電流を検出する電流検出ステップと、この電流検出ステップで検出された電流から、前記軸と電磁石との距離を算出する演算ステップと、この演算ステップで算出された距離に基づいて、前記電磁石に流す電流をＰＷＭ制御するＰＷＭ制御ステップとを有し、前記演算ステップは、前記電流検出ステップで検出された電流の時間微分値を算出する微分ステップと、この微分ステップで算出された時間微分値の絶対値を算出する絶対値算出ステップと、この絶対値算出ステップで算出された絶対値に定数をかけた値を算出する定数乗算ステップと、この定数乗算ステップで算出された値に、補正係数Ｂ／（Ａ×ｉ ₀ ＋Ｂ）をかけた値を、前記軸と電磁石との距離とする補正ステップとを有することを特徴とする磁気軸受け制御方法である。ただし、前記ｉ ₀ は、前記電流検出ステップによって検出された電流の波高値であり、前記ＡおよびＢは、予め求められた定数である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態における磁気軸受け制御装置の構成を示す図である。軸１は、磁気軸受けにおける電磁石２が発生する吸引力によって、非接触状態で支持される。電磁石２が吸引力を発生するためには、電磁石２のコイルに電流ｉを流す必要があるが、この電流ｉは、ブリッジ回路３から供給される。
【００１４】
ブリッジ回路３内には、トランジスタ４および５、ダイオード６および７、電流検出手段８が設けられている。トランジスタ４のドレインおよびダイオード６のカソードは電源電圧Ｅに接続されている。トランジスタ４のソースは、ダイオード７のカソードに接続されると共に、電流検出手段８を介して前記電磁石２のコイルの一端に接続される。前記電磁石２のコイルの他端は、ダイオード６のアノードに接続されると共に、トランジスタ５のドレインに接続される。トランジスタ５のソースおよびダイオード７のアノードは接地されている。
【００１５】
トランジスタ４および５のゲートは相互に接続されている。すなわち、トランジスタ４および５は、同時にオン、オフされる。トランジスタ４および５は、前記電磁石２のコイルに流れる電流ｉをオン、オフする。電流検出手段８は、前記電磁石２のコイルに流れる電流ｉの値を検出し、電流検出値ｉ_dを出力する。
【００１６】
電流検出手段８から出力された電流検出値ｉ_dは、演算手段９に入力される。演算手段９は、微分手段と、絶対値算出手段と、定数乗算手段と、補正手段とを内蔵している。微分手段は、演算手段９が入力した電流検出値ｉ_dの時間微分値ｄｉ_d／ｄｔを算出する。絶対値算出手段は、微分手段が算出した時間微分値ｄｉ_d／ｄｔの絶対値｜ｄｉ_d／ｄｔ｜を算出する。定数乗算手段は、絶対値算出手段が算出した絶対値｜ｄｉ_d／ｄｔ｜に定数１／Ｂをかける。さらに、補正手段は、定数乗算手段が算出した値１／Ｂ×｜ｄｉ_d／ｄｔ｜に、電流検出値ｉ_dの波形の波高値（最大値）ｉ_d0に応じた補正係数Ｈ＝Ｂ／（Ａｉ_d0＋Ｂ）をかけ、その結果であるＢ／（Ａｉ_d0＋Ｂ）×１／Ｂ×｜ｄｉ_d／ｄｔ｜を、前記電磁石２のコアの端面２ａと軸１の表面との距離ｘの検出値すなわち距離検出値ｘ_dとして出力する。すなわち、演算手段９は、入力した電流検出値ｉ_dを、次式（１）に代入し、距離検出値ｘ_dを算出する。
ｘ_d＝Ｂ／（Ａｉ_d0＋Ｂ）×１／Ｂ×｜ｄｉ_d／ｄｔ｜ …（１）
【００１７】
上記の演算手段９は、コンピュータに内蔵されるハードウェアまたはソフトウェアによって実現されるものであってもよい。「ソフトウェアによって実現される」とは、上記の演算手段９の機能を有するプログラムをコンピュータ内のメモリにロードして実行することにより、上記の演算手段９の機能が実現されることを意味する。
【００１８】
また、上記の演算手段９の機能を有するプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータに読み込ませ、実行することにより、上記の演算手段９の機能を実現してもよい。なお、ここで言う「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷ等の可搬媒体や、コンピュータに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことである。
【００１９】
演算手段９から出力された距離検出値ｘ_dは、制御手段１０に入力される。制御手段１０は、入力した距離検出値ｘ_dに基づいてＰＩＤ制御等により軸を非接触で支持する磁気軸受け制御を行う。すなわち、制御手段１０は制御信号を出力し、出力された制御信号は駆動手段１１に入力される。駆動手段１１は、入力した制御信号に基づいて駆動パルスを出力する。すなわち、駆動手段１１は、入力した制御信号に基づいて、出力する駆動パルスのオン（ＯＮ）時間とオフ（ＯＦＦ）時間との比（デューティ）を変化させる。駆動手段１１から出力された駆動パルスは、前記ブリッジ回路３内のトランジスタ４および５のゲートに入力され、トランジスタ４および５をオン、オフさせる。
【００２０】
図２は、上記のトランジスタ４および５のゲートに入力される駆動パルスと、電磁石２のコイルに流れる電流ｉとの波形を示すグラフである。これらのグラフの横軸は時間ｔである。電流ｉが流れる電磁石２のコイルは自己インダクタンスＬをもつので、電流ｉの波形における立ち上がりおよび立ち下がりには遅れが生じ、波形がなまる。電磁石２のコイルの自己インダクタンスＬは、電磁石２のコアの端面２ａと軸１の表面との距離ｘに応じて変化するので、電流ｉの波形の傾きすなわち時間微分値ｄｉ／ｄｔも変化する。すなわち、電流ｉの時間微分値の絶対値｜ｄｉ／ｄｔ｜は、電磁石２のコアの端面２ａと軸１の表面との距離ｘに比例する。そこで、電流ｉの時間微分値の絶対値｜ｄｉ／ｄｔ｜と、距離ｘとの比｜ｄｉ／ｄｔ｜／ｘを検出ゲインＧとする。すなわち、次式（２）により検出ゲインＧを定義する。
Ｇ＝｜ｄｉ／ｄｔ｜／ｘ …（２）
【００２１】
図３は、上記の検出ゲインＧと、電流ｉの波形（電流パルス）の波高値（最大値）ｉ₀との関係を示すグラフである。このグラフの横軸は電流ｉの波形（電流パルス）の波高値（最大値）ｉ₀であり、縦軸は検出ゲインＧである。すなわち、波高値ｉ₀を高くすると検出ゲインＧが低下する。波高値ｉ₀と検出ゲインＧとの関係は、次式（３）で表される。
Ｇ＝Ａｉ₀＋Ｂ …（３）
【００２２】
上記の式（２）および（３）から｜ｄｉ／ｄｔ｜を求めると、次式（４）が得られる。
｜ｄｉ／ｄｔ｜＝ｘＡｉ₀＋ｘＢ …（４）
上記の式（４）との比較のため、ｄｉ／ｄｔの理論式を算出する。時刻ｔに電磁石２のコイルに流れる電流をｉ（ｔ）、ブリッジ回路３内のトランジスタ４のドレインに印加される電源電圧をＥ、電磁石２のコイルの自己インダクタンスをＬ、抵抗分をＲとすると、次式（５）が得られる。
【数１】

上記の式（５）の両辺を時間ｔで微分すると、次式（６）が得られる。
【数２】

すなわち、上記の式（４）と理論式（６）との傾向は一致している。
【００２３】
なお、上記の式（４）、（３）または（１）における定数Ａ、Ｂは、実際には、実機における測定から求める。これは、実際には、電磁石２のコイルの自己インダクタンスＬが、軸と磁気受けとの組み付け状態で変わるからである。
【００２４】
本実施形態においては、演算手段９内の補正手段が、電磁石２のコイルに流れる電流ｉの検出値である電流検出値ｉ_dの波形の波高値（最大値）ｉ_d0に応じて、上記の式（３）で表される検出ゲインＧの低下を補正するので、電磁石２に流す電流ｉの波形の波高値（最大値）を変化させた場合であっても、電磁石２のコアの端面２ａと軸１の表面との距離ｘの正確な検出値すなわち正確な距離検出値ｘ_dを算出することができる。
【００２５】
この効果は、図４に示す軸１の姿勢すなわち図４（ａ）のように軸１が水平であるか図４（ｂ）のように軸１が垂直であるかによる影響を受けない。
【００２６】
上記の磁気軸受けによって支持される軸によって回転させられる回転体の一例として、ターボ分子ポンプのロータがある。図５は、ターボ分子ポンプＰの構成の一例を示す図である。ターボ分子ポンプとは、ロータを高速で回転させることにより、気体分子を圧縮しつつ排気し、超高真空を作り出すポンプである。すなわち、ターボ分子ポンプは、例えば、半導体プロセスで利用されるＣＶＤ装置等に、ロータリポンプ、デフュージョンポンプ等と共に排気系の一部として付設され使用される。すなわち、ＣＶＤ装置に同時に付設されるチャンバ内の排気を行うことを目的として利用される。
【００２７】
図示したターボ分子ポンプＰは、上半部１０１ａ及び下半部１０１ｂとからなるケーシング１０１内部に各種機器が備えられた構成となっている。このケーシング１０１においては、その上半部１０１ａに吸気口１０１ｃ、下半部１０１ｂに排気口１０１ｄが、それぞれ形成されている。
【００２８】
ケーシング１０１内部におけるロータ室１０２には、ロータ１０４が配設されている。ロータ１０４は、鉛直に立設されたロータシャフト１０４ａと、当該ロータシャフト１０４ａ周囲に放射状に配置された動翼１０５とを備えた構成となっている。また、ケーシング上半部１０１ａには静翼１０３が固定されている。このロータ１０４は、後述するように高速回転する部材であるから、一般には軽量かつ応力強度の高いアルミニウム合金等をその材質として選択するのが好ましい。
【００２９】
前記ロータシャフト１０４ａの下端部には、スラスト磁気ディスク１０６が備えられている。このスラスト磁気ディスク１０６の上下面には、これに対向した形でスラスト磁気軸受け１０８が設けられている。また、ロータシャフト１０４ａとケーシング下半部１０１ｂとの対向面における上方及び下方には、それぞれラジアル磁気軸受け１０７ａ、１０７ｂが設けられている。さらに、ロータシャフト１０４ａ上端部にラジアル用上部保護軸受けとして設けられたボールベアリング１０９、同下端ネック部にはラジアル及びスラスト用下部保護軸受けとして設けられたボールベアリング１１０が設けられている。そして、ケーシング下半部１０１ｂには、ロータ駆動用モータ１１１が設けられている。
【００３０】
上記のターボ分子ポンプＰは、上記構成から明らかなように、軸受けとして能動型磁気軸受けを有し、これらとロータ駆動用モータ１１１の発生する駆動力とにより、ロータ１０４の回転が実現されるものとなっている。このとき、ロータ１０４の回転速度は約９００００ｒｐｍ（１５００回転／秒）になる。なお、本発明は、ターボ分子ポンプの構成に関して、上記の例に限定されるものではない。
【００３１】
【実施例】
図６は、電磁石２のコイルに流れる電流ｉの波形の波高値ｉ₀と、検出ゲインＧおよび補正係数Ｈとの関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。このグラフの横軸は、電磁石２のコイルに流れる電流ｉの波形の波高値ｉ₀であり、左側の縦軸は検出ゲインＧであり、右側の縦軸は補正係数Ｈである。
【００３２】
本シミュレーションにおいては、電磁石２のコアの端面２ａと軸１の表面との距離ｘが１、５、１０、５０、１００μｍであって、電磁石２のコイルに流れる電流ｉの波形（電流パルス）の波高値ｉ₀が０．２０３、０．７７４、１．２９３、１．８１４、２．３３０、３．３６８Ａである場合の検出ゲインＧを算出した。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、電磁石に流す電流の波形の波高値を変化させた場合であっても、軸と電磁石のコアの端面との正確な距離を算出することができる。この効果は、軸の姿勢すなわち軸が水平であるか垂直であるかによる影響を受けない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における磁気軸受け制御装置の構成を示す図である。
【図２】トランジスタ４および５のゲートに入力される駆動パルスと、電磁石２のコイルに流れる電流ｉとの波形を示すグラフである。
【図３】検出ゲインＧと、電流ｉの波形（電流パルス）の波高値（最大値）ｉ₀との関係を示すグラフである。
【図４】軸１の姿勢を示す図である。
【図５】ターボ分子ポンプＰの構成の一例を示す図である。
【図６】電磁石２のコイルに流れる電流ｉの波形の波高値ｉ₀と、検出ゲインＧおよび補正係数Ｈとの関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１軸２電磁石
３ブリッジ回路
４、５トランジスタ（ＰＷＭ制御手段）
６、７ダイオード８電流検出手段
９演算手段
１０制御手段（ＰＷＭ制御手段）
１１駆動手段（ＰＷＭ制御手段）
Ｐターボ分子ポンプ１０１ケーシング
１０１ａ上半部１０１ｂ下半部
１０１ｃ吸気口１０１ｄ排気口
１０２ロータ室１０３静翼
１０４ロータ１０４ａロータシャフト
１０５動翼１０６スラスト磁気ディスク
１０７ａ、１０７ｂラジアル磁気軸受け
１０８スラスト磁気軸受け
１０９、１１０ボールベアリング
１１１ロータ駆動用モータ

Claims

電磁石に流す電流をＰＷＭ制御することによって、前記電磁石が発生する吸引力を変化させ、軸を非接触状態で支持する磁気軸受けを制御する磁気軸受け制御装置であって、
前記電磁石に流れる電流を検出する電流検出手段と、
この電流検出手段によって検出された電流から、前記軸と電磁石との距離を算出する演算手段と、
この演算手段によって算出された距離に基づいて、前記電磁石に流す電流をＰＷＭ制御するＰＷＭ制御手段とを有し、
前記演算手段は、
前記電流検出手段によって検出された電流の時間微分値を算出する微分手段と、
この微分手段によって算出された時間微分値の絶対値を算出する絶対値算出手段と、
この絶対値算出手段によって算出された絶対値に定数をかけた値を算出する定数乗算手段と、
この定数乗算手段によって算出された値に、補正係数Ｂ／（Ａ×ｉ ₀ ＋Ｂ）をかけた値を、前記軸と電磁石との距離とする補正手段とを有することを特徴とする磁気軸受け制御装置。ただし、前記ｉ ₀ は、前記電流検出手段によって検出された電流の波高値であり、前記ＡおよびＢは、予め求められた定数である。
前記ＡおよびＢは、前記電流の波高値と、前記電流の時間微分値の絶対値を前記距離で割った値との関係から求められた定数であることを特徴とする請求項１に記載の磁気軸受け制御装置。
請求項１または２に記載の磁気軸受け制御装置を備えたことを特徴とするターボ分子ポンプ。
電磁石に流す電流をＰＷＭ制御することによって、前記電磁石が発生する吸引力を変化させ、軸を非接触状態で支持する磁気軸受けを制御する磁気軸受け制御方法であって、
前記電磁石に流れる電流を検出する電流検出ステップと、
この電流検出ステップで検出された電流から、前記軸と電磁石との距離を算出する演算ステップと、
この演算ステップで算出された距離に基づいて、前記電磁石に流す電流をＰＷＭ制御するＰＷＭ制御ステップとを有し、
前記演算ステップは、
前記電流検出ステップで検出された電流の時間微分値を算出する微分ステップと、
この微分ステップで算出された時間微分値の絶対値を算出する絶対値算出ステップと、
この絶対値算出ステップで算出された絶対値に定数をかけた値を算出する定数乗算ステップと、
この定数乗算ステップで算出された値に、補正係数Ｂ／（Ａ×ｉ ₀ ＋Ｂ）をかけた値を、前記軸と電磁石との距離とする補正ステップとを有することを特徴とする磁気軸受け制御方法。ただし、前記ｉ ₀ は、前記電流検出ステップによって検出された電流の波高値であり、前記ＡおよびＢは、予め求められた定数である。