CN108457984B - 磁轴承装置及真空泵 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁轴承装置及真空泵，可减低轴向位移传感器的传感器特性的机台偏差。磁轴承装置包括：径向磁轴承(4A、4B)，在径方向上磁悬浮支撑转子轴(5)；轴向磁轴承(4C)，在轴方向上磁悬浮支撑与转子轴(5)一体旋转的转子盘(10)；及轴向位移传感器(6z1、6z2)，配置于轴向磁轴承(4C)的芯(41、44)的与转子盘(10)相对向的面，对转子盘(10)的轴方向的位移进行检测。

Description

磁轴承装置及真空泵

技术领域

本发明涉及一种磁轴承装置及真空泵。

背景技术

在涡轮分子泵(turbo molecular pump)中，为了进行无油化，而采用磁轴承作为转子支撑用轴承。在涡轮分子泵中，一般使用五轴控制型的磁轴承(例如，参照专利文献1)。关于涡轮分子泵中所使用的五轴控制型磁轴承，就避免结构的复杂化等理由而言，通过一个轴向位移传感器来检测转子的轴方向位移。

[现有技术文献]

[专利文献]

[专利文献1]日本专利特开2017-20520号公报

发明内容

[发明所要解决的问题]

然而，专利文献1中记载的磁轴承装置设为：将用以使作为轴向磁轴承的构成零件的转子盘固定于转子轴的螺母设为传感器靶，并将电感方式的轴向位移传感器搭载于固定于轴向电磁铁的基板上的传感器靶对向面。因此，容易产生层叠配置轴向位移传感器时的层叠误差，另外，根据螺母的紧固情况而螺母与基板的距离发生变化，因此对于每一机台而言，轴向位移传感器与传感器靶之间的空隙尺寸不同。其结果，存在以下问题：需要对每一机台进行与轴向位移传感器的感度相关的电性偏移调整，且调整作业耗费工夫。

[解决问题的技术手段]

本发明的优选的实施形态的磁轴承装置包括：径向(radial)磁轴承，在径方向上磁悬浮支撑转子轴；轴向(axial)磁轴承，在轴方向上磁悬浮支撑与所述转子轴一体旋转的转子盘；及轴向位移传感器，配置于所述轴向磁轴承的电磁铁芯的与所述转子盘相对向的面，对所述转子盘的轴方向的位移进行检测。

进而优选的实施形态中，所述轴向磁轴承具有对向配置于所述转子盘的表面侧的第1轴向电磁铁及对向配置于所述转子盘的背面侧的第2轴向电磁铁，所述轴向位移传感器具有第1传感器及第2传感器，所述第1传感器配置于所述第1轴向电磁铁的电磁铁芯的与所述转子盘相对向的面，所述第2传感器配置于所述第2轴向电磁铁的电磁铁芯的与所述转子盘相对向的面，所述轴向磁轴承的激磁电流是基于来自第1传感器的信号与来自第2传感器的信号的差动信号而控制。

进而优选的实施形态中，所述轴向位移传感器具备施加有高频电压的线圈及配置于所述线圈的转子盘侧之外的周围的铁氧体芯构件。

进而优选的实施形态中，在所述转子盘中，在与所述轴向位移传感器相对向的区域设置有铁氧体芯构件。

进而优选的实施形态中，在所述轴向位移传感器的磁路区域与所述轴向磁轴承的磁路区域之间的所述转子盘及所述电磁铁芯的彼此相对向的面的至少一个面形成有槽。

进而优选的实施形态中，所述转子盘固定于所述转子轴的端部，且所述磁轴承装置具备定位构件，所述定位构件插入于所述转子盘与所述转子轴的端部之间，对所述转子盘的轴向方向位置进行定位。

本发明的优选的实施形态的真空泵包括：所述磁轴承装置，磁悬浮支撑泵转子的转子轴；及马达，旋转驱动所述泵转子。

[发明效果]

根据本发明，可减低轴向位移传感器的传感器特性的机台偏差。

附图说明

图1是表示具备磁轴承装置的磁轴承式涡轮分子泵的概略构成的图。

图2(a)、图2(b)是表示轴向电磁铁的芯的形状的图。

图3(a)、图3(b)是表示轴向位移传感器的构成的图。

图4是实施形态中的轴向电磁铁的控制框图。

图5是表示现有的磁轴承装置中的轴向位移传感器的构成的一例的图。

图6是图5所示的轴向位移传感器的控制框图。

图7(a)、图7(b)是对图5的构成的情况下的轴向位移信号进行说明的图。

图8是对实施形态中的轴向位移信号进行说明的图。

图9是表示变形例的图。

图10是表示图5所示的构成中的机械性调整机构的一例的图。

图11(a)、图11(b)是表示本实施形态中的机械性调整机构的一例的图。

[符号的说明]

1：泵主体 3：泵转子

3a：旋转叶片 3b：圆筒部

4A、4B：径向磁轴承 4C：轴向磁轴承

4C1、4C2：轴向电磁铁 5：转子轴

6z、6z1、6z2：轴向位移传感器 10：转子盘

11、12：螺母 13：基板

20：基座 21：泵外壳

21a：进气口 21c：固定凸缘

22：固定叶片 23：间隔环

24：螺纹定子 25：排气埠

26a、26b：机械轴承 40、43：电磁铁线圈

41、42、44、45：芯 30：马达

6x1、6y1、6x2、6y2：径向位移传感器

51、52、53：环状调整构件 61：外侧缓冲环

62：外侧铁氧体环 63：空心线圈

64：内侧铁氧体环 65：内侧缓冲环

100：差动放大器 101：滤波器

102：解调部 103：悬浮控制部

104：激磁放大器 202：增益调整部

204：相位移电路 301～304：铁氧体环

440：线圈配置部 441：传感器配置部

442：芯的上端面 b1、b2、C1、C2：磁路

CL1、CL2、CL3：间隙 D0：基准悬浮位置

g1、g2：槽 L：电感

L1、L2、L12：曲线 R：电阻

S1：虚拟信号 ω：角频率

具体实施方式

以下，参照图式对用以实施本发明的形态进行说明。图1是表示具备磁轴承装置的磁轴承式涡轮分子泵(magnetic bearing type turbo molecular pump)的概略构成的图。涡轮分子泵包含：泵主体1；及控制单元，驱动控制泵主体1。再者，图1中，省略控制单元的图示。

设置于泵转子3的转子轴5是由径向磁轴承4A、4B及轴向磁轴承4C非接触支撑。径向磁轴承4A、4B分别具备在转子轴5的径方向上配置的四个径向电磁铁。轴向磁轴承4C具备一对轴向电磁铁4C1、4C2，所述一对轴向电磁铁4C1、4C2是以在轴方向上夹持固定于转子轴5的下部的转子盘10的方式配置。转子盘10通过螺母11而固定于转子轴5。

转子轴5的位移是通过径向位移传感器6x1、6y1、6x2、6y2与轴向位移传感器6z1、6z2而检测。位移传感器6x1、6y1、6x2、6y2、6z1、6z2使用电感式位移传感器。

图示上侧的轴向电磁铁4C1具备电磁铁线圈40及芯41、42，图示下侧的轴向电测铁4C2具备电磁铁线圈43及芯44、45。轴向位移传感器6z1、6z2是以夹持转子盘10且相对向的方式配置，轴向位移传感器6z1设置于芯41的下端面，轴向位移传感器6z2设置于芯44的上端面。

通过磁轴承4A、4B、4C而旋转自如地磁悬浮的泵转子3是通过马达30而高速旋转驱动。马达30使用无刷直流(Direct Current，DC)马达等。再者，图1中，示意性记载为马达30，但更详细而言，以符号30表示的部分构成马达定子，在转子轴5侧设置有马达转子。再者，当磁轴承未工作时，转子轴5由紧急用的机械轴承26a、26b支撑。

在泵转子3形成有构成旋转侧排气功能部的多级旋转叶片3a与圆筒部3b。另一方面，在固定侧设置有作为固定侧排气功能部的固定叶片22与螺纹定子24。多级固定叶片22与旋转叶片3a相对于轴方向而交替地配置。螺纹定子24隔开既定的空隙而设置于圆筒部3b的外周侧。

各固定叶片22隔着间隔环(spacer ring)23而载置于基座20上。当通过螺栓将泵外壳21的固定凸缘21c固定于基座20时，所层叠的间隔环23被夹持于基座20与泵外壳21之间，从而将固定叶片22定位。在基座20设置有排气埠(port)25，在该排气埠25连接有后置泵。使泵转子3一面磁悬浮一面通过马达30而高速旋转驱动，由此进气口21a侧的气体分子向排气埠25侧排气。

图2(a)、图2(b)是表示轴向电磁铁4C2的芯44的形状的图，图2(a)是平面图，图2(b)是剖面图。在芯44形成有配置有电磁铁线圈43的线圈配置部440与配置有轴向位移传感器6z2的传感器配置部441。传感器配置部441是环状的凹部，且在该凹部内配置有环状的轴向位移传感器6z2。虽省略图示，但关于轴向电磁铁4C1的芯41，也在芯41的下端面同样地形成包含环状的凹部的传感器配置部，且在该凹部内配置有环状的轴向位移传感器6z1。再者，图2(b)所示的例子中，通过扩孔(counter boring)加工而形成构成传感器配置部441的凹部，但也可形成环状的槽。

图3(a)、图3(b)是表示轴向位移传感器6z2的构成的图，图3(a)是平面图，图3(b)是剖面图。再者，关于轴向位移传感器6z1，也设为与图3(a)、图3(b)的轴向位移传感器6z2相同的构成。轴向位移传感器6z2是将外侧缓冲环61、外侧铁氧体环62、环状的空心线圈63、内侧缓冲环65及内侧铁氧体环64呈同心状配置而成者。对于铁氧体环62、64而言，适合的是镍锌系铁氧体。

将这些构件配置于芯44的转子盘侧端面的传感器配置部441，且利用环氧树脂等接着剂进行固定。此时，也可设为利用环氧树脂等对构成轴向位移传感器6z2的多个构件的整体进行制模。再者，在对构成轴向位移传感器6z2的零件的整体进行树脂制模的情况下，也可省略作为用以保护铁氧体环62、64不受冲击等的影响的保护构件的外侧缓冲环61及内侧缓冲环65。此处，传感器配置部441的槽深度设定为轴向位移传感器6z2的上端面与芯44的上端面442(转子盘侧端面)成为大致同一面。即，芯端面及位移传感器端面相对于转子盘10的轴方向位置成为大致相同。

图4是对基于轴向位移传感器6z1、6z2的信号的轴向电磁铁4C1的控制进行说明的框图。经由电阻R而对轴向位移传感器6z1、6z2施加高频率(通常为10kHz级别)的传感器载波电压(传感器载波信号)。电阻R设定为相对于轴向位移传感器6z1、6z2的电感L而为R>Lω。ω是传感器载波信号的角频率。

轴向位移传感器6z1、6z2的阻抗的大小(ωL)相对于轴向位移传感器6z1、6z2与作为传感器靶的转子盘10之间的空隙尺寸而成反比例关系。因此，当与转子轴5一体旋转的转子盘10在轴方向上发生位移而所述空隙发生变化时，传感器载波信号通过此时的阻抗变化而被振幅调制。以下，将经振幅调制的传感器载波信号称为位移调制波信号。

由轴向位移传感器6z1输出的位移调制波信号及由轴向位移传感器6z2输出的位移调制波信号输入至差动放大器100。由差动放大器100输出这些位移调制波信号的差分信号。由差动放大器100输出的差分信号在滤波器101中被实施以角频率ω为中心的带通(band pass)处理。

由滤波器101输出的信号输入至解调部102，在解调部102中进行解调运算。解调部102的运算结果输入至悬浮控制部103，悬浮控制部103基于解调部102的运算结果而进行比例控制、积分控制及微分控制、相位校正、其他控制补偿，从而生成悬浮控制电流设定。而且，通过基于悬浮控制电流设定来驱动激磁放大器104，从而进行向轴向电磁铁4C1供给的激磁电流的控制。

然而，现有的磁轴承装置中的轴向位移传感器6z例如如图5所示，配置为与紧固于转子轴的端面(下端面)的螺母12相对向。轴向位移传感器6z将与螺母12之间的空隙变化作为位移信号来检测。作为传感器靶的螺母12是也作为将转子盘10固定于转子轴的紧固件来发挥功能者，且轴方向位置根据组装时的紧固情况而稍微变化。

另外，轴向位移传感器6z搭载于安装于轴向电磁铁4C2的芯44的下端面的基板13上。因此，因层叠误差或组装误差等而在轴向位移传感器6z的轴方向位置产生机台偏差。即，轴向位移传感器6z与螺母12的靶面之间的空隙尺寸对于每个机台而言不同，由该情况所引起的传感器感度的偏差成为问题。因此，先前，为了解除传感器感度的偏差，而设置有机械性调整构成，或设置有电性调整构成(例如，使用微调电阻等的调整机构)。

图10是表示图5所示的现有构成的情况下的机械性调整机构的一例的图。图10所示的例子中，机械性调整机构设置于作为触地轴承而发挥功能的机械轴承26b附近。机械性调整中，需要调整轴向位移传感器6z与靶(螺母12)间的间隙(clearance)CL1及轴向电磁铁间的转子盘位置CL2。伴随CL1、CL2的调整，以也包含转子轴5的轴向方向的间隙CL3在内，分别成为适当的方式，通过选择两个环状调整构件51、52的高度尺寸来进行衬垫调整。因此，存在调整耗费工夫的问题。

(C1)另一方面，本实施形态中，如图1所示，将轴向位移传感器6z1、6z2配置于构成轴向磁轴承4C的轴向电磁铁4C1、4C2的芯41、44的与转子盘10相对向的面，因此可将轴向位移传感器6z1、6z2相对于转子盘10的位置关系设为与芯41、44相对于转子盘10的位置关系大致相同。其结果，在如图5、图10所示般的现有的构成的情况下，能够省略与作为必须的轴向位移传感器6z相关的调整作业。

例如，如图11(a)所示，轴向位移传感器6z2与作为靶的转子盘10之间的间隙和与轴向电磁铁间的转子盘10的位置相关的间隙CL2相同，可同时进行两者的间隙的调整。即，可通过一个环状调整构件53来进行各自的间隙CL2、CL3的调整，由此，可实现后述的非线性度的改善。

另外，对于间隙CL2而言，容许冗余性，进而关于转子轴5的轴向方向冲程的间隙CL3，偏差也小，因此可不需机械性调整。因而，通过利用螺母11将固定了高度尺寸的环状调整构件53与转子盘10共紧固，也能够设定间隙CL2、CL3。再者，环状调整构件53通过抵接于作为触地轴承而发挥功能的机械轴承26b的内圈的图示下侧端面，也可用作规定转子轴5的轴向方向的可动范围(向泵进气口侧的可动范围)的构件。

另外，图5所示的现有构成的螺母12可用作传感器靶，但本实施形态的螺母11仅仅是将转子盘10加以固定，因此不需复杂的结构，可使用一般的螺母。进而，在将螺母12设为传感器靶的情况下，需要将螺母12构成为传感器靶，并且以与螺母12相对向的方式配置轴向位移传感器6z，但本实施形态中，将轴向位移传感器6z1、6z2配置于芯41、44，因此可进一步减小泵主体1的轴方向尺寸。

再者，图1所示的实施形态中，以夹持转子盘10的方式设置一对轴向位移传感器6z1、6z2而形成差动构成，也可设为仅配置任一者。在该情况下，也可与所述情况同样地实现层叠误差的减低及传感器调整作业的简略化。图11(b)是表示仅将轴向位移传感器6z2设置于芯44的情况下的转子盘10的安装构成的图。在该情况下，也可与图11(a)的情况同样地通过一个环状调整构件53来进行各自的间隙CL2、CL3的调整。

(C2)进而，本实施形态中，将轴向位移传感器6z1、6z2配置于以与转子盘10的表背面相对向的方式配置的两个轴向电磁铁4C1、4C2的芯41、44的转子盘对向面，基于作为轴向位移传感器6z1的传感器信号与轴向位移传感器6z2的传感器信号的差分的差动信号，可控制轴向磁轴承4C的激磁电流。因此，如后所述，可改善轴向位移信号的非线性度，且干扰响应性、稳定性、悬浮控制性得到提高。

另一方面，在图5所示的现有的构成的情况下，仅设置有一个轴向位移传感器6z，因此如图6所示，通过将用以去除偏移的虚拟信号S1输入至差动放大器100，从而将位移调制波信号假性差动化。因此，具有如下缺点：实际的位移与作为位移信号的电压值的关系并非线形且非线性度强。

图6是表示图5所示的轴向位移传感器6z的情况下的控制框图的图。利用增益调整部202对传感器载波信号进行增益调整，进而在相位移电路204中，以与位移调制波信号成为同相位的方式进行相位调整，由此形成虚拟信号S1。

当将转子盘10的既定的基准悬浮位置设为D0，将来自基准悬浮位置D0的位移增量设为Δd时，轴向位移传感器6z与传感器靶的空隙尺寸成为D0+Δd。即，阻抗的大小ωL与空隙尺寸D0+Δd成为下式(1)般的反比例的关系。在该情况下，阻抗表示出图7(a)、图7(b)所示般的双曲线关系的非线性度，所述双曲线关系的非线性度为Δd为负的值且其大小越大，阻抗越增加，Δd为正的值且其大小越大，阻抗越减小。

ωL∝1/(D0+Δd)...(1)

通常，以满足R>ωL的方式选择R，且生成形成与阻抗变化成大致比例的振幅的电压，所述阻抗变化是根据由转子运动所引起的空隙变化而产生。该电压是传感器载波信号通过空隙变化被振幅调制而成的电压信号，且在转子位置为所述基准悬浮位置D0中，生成虚拟信号S1以使解调后的轴向位移信号成为0。在解调后，也进而进行微调整以使基准悬浮位置D0处的值成为0，但悬浮控制中所使用的轴向位移信号的非线性度与图7(a)同样地未得到改善(图7(b))。

另一方面，本实施形态中，设置与转子盘10的表背面相对向的两个轴向位移传感器6z1、6z2，如图4所示，对分别由轴向位移传感器6z1、6z2输出的位移调制波信号的差分信号进行解调，并用于悬浮控制。图8的曲线L1表示由轴向位移传感器6z1输出的位移调制波信号的振幅，曲线L2表示由轴向位移传感器6z2输出的位移调制波信号的振幅。图8的纵轴为信号的振幅，例如为电压值。

本实施形态中，通过设为图1般的构成，可使轴向电磁铁4C1、4C2的中间位置与轴向位移传感器6z1、6z2的中间位置大致一致。因此，当将轴向位移传感器6z1侧的空隙变化设为Δd时，轴向位移传感器6z2侧的空隙变化成为-Δd，可认为曲线L1与曲线L2对于D轴上的D0点而言成为大致点对称。其结果，表示两个位移调制波信号的差分信号的曲线L12成为大致直线，且不需解调后的微调整，非线性度也大致解除。

图9是表示变形例的图。变形例中，在配置有轴向位移传感器6z1的芯41的槽底部设置铁氧体环302，在配置有轴向位移传感器6z2的芯44的槽底部设置铁氧体环304。进而，在转子盘10侧，在与轴向位移传感器6z1相对向的面配置铁氧体环301，在与轴向位移传感器6z2相对向的面配置铁氧体环303。虚线b1是示意性表示与轴向位移传感器6z1相关的磁路者，虚线b2是示意性表示与轴向位移传感器6z2相关的磁路者。

(C3)如此，通过将铁氧体环302、304配置于轴向位移传感器6z1、6z2的背面侧(槽底部侧)，可实现芯41、44侧的泄漏磁通量的减低。

(C4)另外，通过在所述转子盘10的与轴向位移传感器6z1、6z2相对向的区域设置作为铁氧体芯构件的铁氧体环301、303，可减低转子盘10中的泄漏磁通量，并可使空心线圈63所形成磁通量集中于轴向位移传感器6z1与铁氧体环301之间及轴向位移传感器6z2与铁氧体环303之间。

(C5、C6)进而，如图9所示，也可设为在轴向位移传感器6z1的磁路b1所通过的区域(磁路区域)与轴向电磁铁4C1的磁路C1所通过的区域(磁路区域)之间的转子盘10及芯41的彼此相对向的面的至少一个面形成槽g1，在轴向位移传感器6z2的磁路b2所通过的区域(磁路区域)与轴向电磁铁4C2的磁路C2所通过的区域(磁路区域)之间的转子盘10及芯44的彼此相对向的面的至少一个面形成槽g2。图9所示的例子中，在转子盘10及芯41的彼此相对向的面这两者形成槽g1，在转子盘10及芯44的彼此相对向的面这两者形成槽g2。

通过形成此种槽g1、g2，而容易分离磁路b1、b2与磁路C1、C2，且可减低电磁铁磁通量对轴向位移信号的影响。再者，于在转子盘10侧及芯41、44侧的任一者形成槽g1、g2的情况下，使作为生成磁路C1、C2的侧的芯41、44侧优先。

所述中，对各种实施形态及变形例进行了说明，但本发明并不限定于这些内容。在本发明的技术思想的范围内所考虑的其他态样也包含于本发明的范围内。例如，所述实施形态中，以涡轮分子泵中所使用的磁轴承装置为例进行了说明，但不限定于此，可应用于各种磁轴承装置。另外，所述实施形态中，关于径向磁轴承，也设为与轴向磁轴承同样地基于来自位移传感器的信号来进行轴承控制的构成，但也可设为不使用位移传感器的自传感类型的径向磁轴承，也可设为使用永久磁铁的被动型的径向磁轴承。

Claims (8)

1.一种磁轴承装置，其特征在于包括：

径向磁轴承，在径方向上磁悬浮支撑转子轴；

轴向磁轴承，具有电磁铁线圈，在轴方向上磁悬浮支撑与所述转子轴一体旋转的转子盘；及

轴向位移传感器，配置于所述轴向磁轴承的电磁铁芯的与所述转子盘相对向的面，对所述转子盘的轴方向的位移进行检测，且

所述电磁铁芯具有：配置有所述电磁铁线圈的线圈配置部；及配置有所述轴向位移传感器的传感器配置部，且所述传感器配置部为环状的凹部，以将所述轴向位移传感器相对于所述转子盘的位置关系设为与所述电磁铁芯相对于所述转子盘的位置关系相同。

2.根据权利要求1所述的磁轴承装置，其特征在于：

所述电磁铁为对向配置于所述转子盘的表面侧的第1轴向电磁铁及对向配置于所述转子盘的背面侧的第2轴向电磁铁，

所述轴向位移传感器具有第1传感器及第2传感器，所述第1传感器配置于所述第1轴向电磁铁的电磁铁芯的与所述转子盘相对向的面，所述第2传感器配置于所述第2轴向电磁铁的电磁铁芯的与所述转子盘相对向的面，

所述轴向磁轴承的激磁电流是基于来自第1传感器的信号与来自第2传感器的信号的差动信号而控制。

3.根据权利要求1或2所述的磁轴承装置，其特征在于：

所述轴向位移传感器具备施加有高频电压的线圈及配置于所述线圈的转子盘侧之外的周围的铁氧体芯构件。

4.根据权利要求3所述的磁轴承装置，其特征在于：

在所述转子盘中，在与所述轴向位移传感器相对向的区域设置有铁氧体芯构件。

5.根据权利要求3所述的磁轴承装置，其特征在于：

在所述轴向位移传感器的磁路区域与所述轴向磁轴承的磁路区域之间的所述转子盘及所述电磁铁芯的彼此相对向的面的至少一个面形成有槽。

6.根据权利要求1或2所述的磁轴承装置，其特征在于：

所述轴向位移传感器包括施加有高频电压的线圈，

在所述轴向位移传感器的磁路区域与所述轴向磁轴承的磁路区域之间的所述转子盘及所述电磁铁芯的彼此相对向的面的至少一个面形成有槽。

7.根据权利要求1或2所述的磁轴承装置，其特征在于：

所述转子盘固定于所述转子轴的端部，且

所述磁轴承装置具备定位构件，所述定位构件插入于所述转子盘与所述转子轴的端部之间，对所述转子盘的轴向方向位置进行定位。

8.一种真空泵，其特征在于包括：

根据权利要求1至7中任一项所述的磁轴承装置，磁悬浮支撑泵转子的转子轴；及

马达，旋转驱动所述泵转子。

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