JP2004513277A - 真空ポンプ - Google Patents

Abstract

真空ポンプ（１０）はステータ（１４）を有しており、このステータ（１４）内にロータ（１２）がラジアル磁気軸受け（１６，１８）とスラスト磁気軸受け（４０）とによって無接触式に支承されている。スラスト磁気軸受け（４０）は継鉄（４４）を備えた電磁コイル（４２）によってステータ（１４）に、軸方向の磁界を発生させる。ロータ（１２）には、前記継鉄（４４）にほぼ軸方向で向かい合って位置している軸方向に磁化された永久磁石（５０）が設けられている。ステータ（１４）には、軸方向に永久磁化された補償磁石（５４）が設けられており、この補償磁石（５４）はロータ側の永久磁石（５０）に対して軸方向で向かい合って位置しかつ逆向きに分極化されて配置されているので、ロータ側の永久磁石（５０）と補償磁石（５４）とは互いに反発し合う。ロータ側の永久磁石と継鉄との間の吸引力を補償磁石によって補償することにより、ロータはその中間位置では予荷重もしくはプリロードをかけられていない状態となる。これによってロータの中間位置を比較的小さな電磁コイル電流を用いて制御することができる。これによって、小さな電磁コイルが可能になり、熱発生の低減が行われ、そしてスラスト軸受けの所要電力消費量も減じられる。

Description

【０００１】
本発明は、ステータを備えた真空ポンプであって、ステータにロータが、少なくとも１つのラジアル磁気軸受けと１つのスラスト磁気軸受けとによって無接触式に支承されている形式のものに関する。
【０００２】
真空ポンプでは、ロータを支承するためにしばしば磁気軸受けが頻用される。磁気軸受けは高いロータ回転数を可能にし、かつ潤滑剤なしで作動する。これによってポンプ真空側の、潤滑剤による汚染が回避されている。ドイツ連邦共和国特許第３８１８５５６号明細書に基づき公知の真空ポンプでは、ラジアル軸受けがそれぞれ互いに軸方向に少しだけずらされて配置された永久磁石リングによって形成される。互いに反発し合う永久磁石リングが、ずらされた配置に基づいて軸方向でも反発し合うので、ロータは軸方向で予荷重もしくはプリロードをかけられている。ロータの一方の軸方向端部には、大きなプランジャ型磁石が配置されており、このプランジャ型磁石はロータディスクに対して吸引作用を加える。このプランジャ型磁石は、ロータを軸方向で予荷重もしくはプリロードをかけられた位置に保持するように制御されている。プランジャ型磁石は常時、軸方向の予荷重もしくはプリロードを補償しなければならない。欧州特許第０４１４１２７号明細書に基づき公知のスラスト軸受けでは、２つのロータディスクが軸方向で磁化されているので、ステータ側の電磁コイルは、この電磁コイルを通って流れる電流の方向に応じて、両軸方向で、つまり軸方向で前後もしくは上下に、ロータに作用することができる。ロータ側の磁気ディスクは電磁コイルの継鉄に対して吸引作用を加えるので、両軸方向で著しく大きな軸方向吸引力が発生し、この大きな軸方向吸引力はロータをその軸方向の中間位置から吸引する。このような軸方向吸引力は電磁コイルによって補償されなければならない。
【０００３】
本発明の課題は、真空ポンプのスラスト磁気軸受けを改良することである。
【０００４】
この課題は本発明によれば請求項１の特徴部に記載の特徴により解決される。
【０００５】
本発明による真空ポンプのスラスト磁気軸受けでは、ステータに、軸方向で永久磁化された補償磁石が設けられており、この補償磁石はヨークもしくは継鉄に加えられるロータ側の永久磁石の磁界の力作用を補償する。補償磁石は、ロータ側の永久磁石に対して逆向きに分極化されて配置されているので、ロータ側の永久磁石と補償磁石とは相互に反発し合う。補償磁石は、ロータ側の永久磁石に対してエアギャップにより隔離されて直接に向かい合って位置するように配置されていてよいが、しかし継鉄の延在長さの別の個所に配置されていてもよい。補償磁石は、ほぼロータ側の永久磁石とステータ側の継鉄との間の軸方向の吸引力を補償する。これにより、スラスト磁気軸受けにおける軸方向の予荷重もしくはプリロードが回避される。それゆえに、ロータを電磁コイルによって、予荷重もしくはプリロードをかけられていない中間位置に保持することができる。軸方向の予荷重もしくはプリロードを取り除いたことによって、ロータの軸方向の中間位置を確実に制御するために、より小さな電磁コイルを使用することができる。電磁コイルに加えられるべき制御力が減じられているので、電磁コイルによる熱発生も著しく低減される。
【０００６】
本発明の有利な構成では、スラスト磁気軸受けが環状に形成されている。この場合、電磁コイルと、継鉄と、ロータ側の永久磁石と、補償磁石とが、モータを巡って環状に配置されている。スラスト磁気軸受けは、ロータの一方の端面に配置されているのではなく、ロータを取り囲むように配置されているので、短い構成長さを有する真空ポンプが実現される。
【０００７】
本発明の別の有利な構成では、セグメント状の継鉄を有する複数の電磁コイルが設けられている。これらの電磁コイルは継鉄と共に１つのリングにまとめられてロータを巡るように配置されている。さらに、全周にわたって、ロータ位置を検出するための複数の距離センサが設けられており、これらの距離センサは、ロータの傾倒運動を補償するために電磁コイルを作動制御する１つの制御装置に接続されている。このようにして、ロータの傾倒運動を補償することができる。スラスト軸受けの電磁コイルを相応に制御することによりロータの傾倒運動を回避することが可能であることにより、単数または複数のラジアル軸受けのために、支承力の制御を可能にしない永久磁石だけを使用することができる。
【０００８】
本発明のさらに別の有利な構成では、ステータが、導電性の材料から成る渦電流式減衰ディスクを有している。この渦電流式減衰ディスクは、軸方向で見てロータ側の永久磁石と継鉄との間に配置されている。渦電流式減衰ディスクは、ロータの半径方向運動時に減衰ディスク内に誘導された渦電流によって、ロータの半径方向運動の減衰を生ぜしめる。このようにして、効果的な半径方向の減衰が実現される。このような減衰は、ロータの傾倒運動のアクティブな減衰に対して択一的にまたは補足的に設定することができる。
【０００９】
スラスト軸受けは、ロータの重心のほぼ半径方向で、かつロータ重心の軸方向にそれぞれ配置された２つのラジアル軸受けの間に配置されていると有利である。ロータの重心は、両ラジアル軸受け間に位置しているのに対して、スラスト軸受けはほぼ重心横断平面に位置している。このような配置形式では、ロータの高い傾倒安定性が実現される。それと同時に、スラスト磁気軸受けは、スラスト磁気軸受けにより、相応するロータ傾倒モーメントを発生させるための高いトルクを生ぜしめることができるように配置されている。
【００１０】
本発明のさらに別の有利な構成では、電磁コイルが、前記永久磁石の半径方向外側または半径方向内側に配置されている。電磁コイルおよび永久磁石のこのような配置は、ほぼ１つの横断平面において行われる。こうして、真空ポンプの構成長さは小さく保持される。
【００１１】
継鉄は補償磁石と共に、軸線に対して傾けられていて、かつ／またはロータ側の永久磁石に対して半径方向でずらされて配置されていると有利である。このようにすれば、継鉄および補償磁石とロータ側の永久磁石との間のエアギャップが、横断平面に対して傾けられていて、その面積が増大されるので、より大きな磁石の使用が可能になり、その結果、より大きな磁力の実現が可能になる。
【００１２】
継鉄の一方の自由端部はロータ側の永久磁石の軸方向に、継鉄の他方の自由端部はロータ側の永久磁石の半径方向に、それぞれ配置されていると有利である。継鉄自由端部が、ロータ側の永久磁石の半径方向外側または半径方向内側に配置されていることにより、スラスト磁気軸受けの各構成部分の入り組んでいない配置が実現される。ロータ全体は一方の側から軸方向でステータ内へ挿嵌され得るか、もしくはステータから取り出され得る。これによってステータ内でのロータの簡便な組付けが可能になる。
【００１３】
ロータ側の永久磁石および補償磁石が軸方向で電磁コイルの外側に配置されている場合には、ロータ側の永久磁石および補償磁石を比較的大きく構成することができるので、大きな磁力を発生させることができる。これによって軸方向の支承ならびにロータの傾倒運動に対する安定化が改善される。
【００１４】
スラスト磁気軸受けがアクティブな磁気軸受けとして構成されているのに対して、ラジアル軸受けはパッシブな磁気軸受けとして構成されている。
【００１５】
次に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。
【００１６】
図１〜図５にはそれぞれ真空ポンプ１０が示されている。この真空ポンプ１０はターボ分子真空ポンプである。ターボ分子ポンプは、最高８００００ｒ．ｐ．ｍ．の高い回転数で作動する。高い回転数および高い信頼性に基づき、ステータ１４内にロータ１２を支承するためには無接触式の磁気軸受けが有利であることが判っている。
【００１７】
図１〜図５に示した真空ポンプでは、それぞれ２つのパッシブなラジアル磁気軸受け１６，１８が設けられており、両ラジアル磁気軸受け１６，１８は、ロータ１２の重心２０に対して軸方向の間隔をおいてロータ１２の各長手方向端部に配置されている。ロータ１２の重心２０は両ラジアル磁気軸受け１６，１８間のほぼ真ん中に位置している。両ラジアル磁気軸受け１６，１８はそれぞれ、同心的な円筒形のインナスリーブ２４とアウタスリーブ２２とから形成される。両スリーブは共に軸方向で磁化されており、かつ半径方向で互いに反発し合うように互いに分極化されて配置されている。各インナスリーブ２４および各アウタスリーブ２２は、軸方向で互いに接合された複数の磁気リングのパッケージから成っている。アウタスリーブ２２およびインナスリーブ２４の複数の磁気リングは軸方向でスペーサディスク２６によって相互に分離されている。アウタスリーブ２２はロータ１２に固定されていて、ステータ側のインナスリーブ２４を中心として回転する。両ラジアル磁気軸受け１６，１８の両インナスリーブ２４および両アウタスリーブ２２は同一に形成されている。
【００１８】
両ラジアル磁気軸受け１６，１８のインナスリーブ２４は複数の位置調整ねじ２７によって軸方向に移動調節可能である。
【００１９】
両ラジアル磁気軸受け１６，１８は軸方向での不安定な平衡位置を生ぜしめる。すなわち、ロータ１２は、軸方向の一方の方向または他方の方向に変位する傾向を示す。
【００２０】
ロータ１２の両軸方向端部には、それぞれ転がり軸受けとして構成された受け軸受け（Ｆａｎｇｌａｇｅｒ）２８，３０が設けられている。
【００２１】
ロータ１２は主としてコンプレッサ部分１３と軸１５とから成っている。軸方向でコンプレッサ部分１３と軸１５のためのラジアル磁気軸受け１８との間には電動モータ３２が配置されており、この電動モータ３２によってロータ１２が無接触式に駆動される。電動モータ３２は高周波モータである。
【００２２】
コンプレッサ部分１３と電動モータ３２との間には、スラスト軸受け４０が配置されている。このスラスト軸受け４０は磁気軸受けであり、そしてドーナツ形の磁界を発生させる環形の電磁コイル４２を有している。この電磁コイル４２はヨークもしくは継鉄４４によって取り囲まれている。継鉄４４は、横断面Ｌ字形の２つの継鉄リング４５，４６から成っており、両継鉄リング４５，４６は横断面方形のフレームを形成している。この横断面方形のフレームはコンプレッサ側の内側のコーナ部もしくは角隅部で中断されている、つまり開いている。継鉄４４は、５％のプラスチック含量を有する鉄複合材料から成っていると有利である。これによって渦電流の誘導が少なく保持され、そしてスラスト軸受け４０の制御が加速される。円筒状のシールリング４８により電磁コイル４３はガス密に閉鎖されている。
【００２３】
ロータのコンプレッサ部分１３には、継鉄４４に軸方向で向かい合って位置するように、軸方向で磁化された環状の永久磁石５０が固定されている。この環状の永久磁石５０はスリーブ５２によってロータコンプレッサ部分１３に保持される。電磁コイル４２により発生させられた磁界は、形成された磁界の極性に応じて、すなわち電磁コイル４２における流れ方向に応じて、ロータ用の環状の永久磁石５０に軸方向で吸引作用または反発作用を与える。
【００２４】
内側の継鉄リング４６の軸方向の端面には、軸方向で永久磁化された環状の補償磁石５４が固定されている。この補償磁石５４は、ロータ側の永久磁石５０に対して逆向きの極性を有しているので、ロータ側の永久磁石５０と補償磁石５４は互いに反発し合う。このようにして、ロータ側の環状の永久磁石５０と内側の継鉄リング４６とにより発生させられた吸引力は、ロータ側の環状の永久磁石５０と環状の補償磁石５４との間での相応する反発力によってほぼ補償される。
【００２５】
こうして、両軸方向に作用し得る、つまり吸引方向にも反発方向にも作用し得るアクティブなスラスト軸受けが実現されている。補償磁石５４を設けることによって、予荷重もしくはプリロードをほとんどかけられていない軸方向の中間位置を中心とした制御を行うことができる。予荷重もしくはプリロードがかけられていないことに基づき、ロータ１２の軸方向の中間位置を保持するためには、比較的小さな軸方向制御力しか必要とならない。これによって小さな電磁コイル４２の使用が可能になる。全体的に低減された所要の制御出力により、一層小さな電磁コイルおよび制御装置が可能となり、かつ電磁コイル４２による熱発生の低減も達成される。
【００２６】
ロータ軸１５の軸方向の端部では、ステータハウジング５８に、軸方向の誘導式の距離センサ６０が設けられている。この距離センサ６０は、ロータ１２の正確な軸方向位置を誘導式の距離測定により検出し、そして相応する測定信号を制御装置（図示せず）に伝送する。この制御装置は、ロータ１２の検出された軸方向位置、速度および加速度に関連して、電磁コイル４２への相応する制御電流を制御し、これによりロータ１２の軸方向位置を補正し、かつロータ１２をその中間位置に保持する。
【００２７】
ステータ１４は軸方向で補償磁石５４の手前に、良導電性の材料、たとえば銅から成る渦電流減衰ディスク６２を有している。すなわち、渦電流減衰ディスク６２は軸方向で、ロータ側の環状の永久磁石５０とステータ側の補償磁石５４との間に配置されている。ロータ１２の半径方向運動時もしくは振動時には、ロータ側の環状の永久磁石５０によって渦電流減衰ディスク６２に渦電流が誘導される。これによってロータ１２の機械的なエネルギが渦電流減衰ディスク６２に誘導伝達され、そしてこの渦電流減衰ディスク６２で熱に変換される。このようにしてロータ１２の振動および揺動が効果的に減衰される。
【００２８】
絶縁性のシールリング４８によって、電磁コイル４２は真空ポンプ１０の真空部分に対して絶縁される。すなわち、電磁コイル４２の電気的な線路は常時、真空ポンプ１０の真空範囲の外側に延在しているので、シール問題は生じない。
【００２９】
図２に示した第２実施例による真空ポンプ１１０は、スラスト軸受け１４０を除けば、図１に示した真空ポンプ１０と同一である。図２の真空ポンプ１１０のスラスト軸受け１４０は、１つの電磁コイルにより形成されるのではなく、図３からも判るように、３つの電磁コイル１４１，１４２，１４３と、対応する継鉄内側リング区分１４６_１，１４６_２，１４６_３と、対応する継鉄外側リング区分１４５_１，１４５_２，１４５_３とから形成される。継鉄内側リング区分１４６_１〜１４６_３の間には、それぞれ継鉄内側リング区分１４６_１〜１４６_３を磁気的に互いに分離する非磁性材料から成るセグメント１４７が配置されている。さらに、３つの距離センサ１６０が設けられており、これら３つの距離センサ１６０は、ほぼスラスト軸受け１４０の横断平面においてステータ１１４に対するロータ１１２の軸方向の距離を検出する。合計３つの軸方向の距離センサ１６０により、ロータ位置を三次元的に検出することができるので、中間位置からの軸方向偏差だけではなく、ロータ１１２の傾倒運動をも検出することができる。１つの制御装置により別々に制御可能な電磁コイル１４１〜１４３に基づいて、ロータ１１２の傾倒運動もしくは傾倒振動を補償することができる。
【００３０】
図４に示した第３実施例による真空ポンプ２１０では、電磁コイル２４１〜２４３が半径方向内側に配置されており、そして電磁コイル２４１〜２４３の半径方向外側にロータ側の環状の永久磁石２５０と、ステータ側の補償磁石２５４と、減衰ディスク２６２とが配置されている。これによって、より大きな永久磁石が可能になり、このような大きな永久磁石はロータに対して、より大きなトルクを発生させ、ひいてはより大きな安定化作用を発生させる。より大きな永久磁石によってスラスト軸受けの支持力が高められる。
【００３１】
図５に示した真空ポンプ３１０の第４実施例では、ロータ側の永久磁石３５０と、ステータ側の補償磁石３５４と、減衰ディスク３６２と、この減衰ディスク３６２とロータ側の永久磁石３５０との間に形成されたギャップとが、正確に横断平面内に配置されているのではなく、この横断平面に対して約１５゜の角度で傾けられて配置されている。ロータ側の永久磁石３５０およびステータ側の補償磁石３５４の磁化方向も同じく横断平面に対して１５゜で傾けられている。これにより、ステータ３１４とロータ３１２との間で伝達される磁力が増大させられて、軸方向成分をも、より小さな半径方向成分をも有している。こうして、電磁コイル１４１〜１４３の適当な制御により、ステータ３１４内におけるロータ３１２の軸方向位置をも、ステータ３１４内におけるロータ３１２の半径方向位置をも制御することができる。これによって、ロータの半径方向ずれおよび振動を最小限に抑えることができる。
【００３２】
ロータ側の永久磁石と継鉄との間の吸引力を補償磁石により補償することによって、ロータはその中間位置において予荷重もしくはプリロードをかけられていない状態となる。これによってロータの中間位置を、比較的小さな電磁コイル電流によって制御することができる。これによって小さな電磁コイルが可能になり、また減じられた熱発生が生ぜしめられ、スラスト軸受けの所要電力消費量も減じられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明による真空ポンプの第１実施例を示す縦断面図である。
【図２】
３つの電磁コイルを有するスラスト磁気軸受けを備えた本発明による真空ポンプの第２実施例を示す縦断面図である。
【図３】
図２に示した真空ポンプのスラスト磁気軸受けの３つの電磁コイルと、所属の継鉄とを示す斜視図である。
【図４】
ロータ側の永久磁石と補償磁石とが電磁コイルの半径方向外側に配置されている本発明による真空ポンプの第３実施例を示す縦断面図である。
【図５】
半径方向に傾けられた磁石ギャップ面を備えた本発明による真空ポンプの第４実施例を示す縦断面図である。

Claims (10)

1. ステータ（１４）を備えた真空ポンプであって、ステータ（１４）にロータ（１２）がラジアル磁気軸受け（１６，１８）とスラスト磁気軸受け（４０）とによって無接触式に支承されており、スラスト磁気軸受け（４０）がステータ（１４）に、軸方向の磁界を発生させる電磁コイル（４２）と、対応する継鉄（４４）とを有していて、ロータ（１２）に前記継鉄（４４）にほぼ軸方向で向かい合って位置している軸方向に磁化された永久磁石（５０）を有している形式のものにおいて、ステータ（１４）に、ロータ側の永久磁石（５０）の磁界を補償する、軸方向に永久磁化された補償磁石（５４）が設けられていることを特徴とする真空ポンプ。
2. スラスト磁気軸受け（４０）が環状に形成されており、電磁コイル（４２）と、継鉄（４４）と、ロータ側の永久磁石（５０）と、補償磁石（５４）とがロータ（１２）を巡って環状に配置されている、請求項１記載の真空ポンプ。
3. 複数の電磁コイル（１４１〜１４３）が継鉄（１４６）と共に、ロータ（１１２）を巡って環状に配置されている、請求項１または２記載の真空ポンプ。
4. ステータ（１４）が、導電性の材料から成る渦電流式減衰ディスク（６２）を有しており、該渦電流式減衰ディスク（６２）が、軸方向でロータ側の永久磁石（５０）と継鉄（４４）との間に配置されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の真空ポンプ。
5. 複数の距離センサ（１６０）が、ロータ位置を検出するために唯一つのロータ横断平面に設けられており、該距離センサ（１６０）が、ロータ（１１２）の傾倒運動を補償するために電磁コイル（１４１〜１４３）を制御する１つの制御装置に接続されている、請求項３または４記載の真空ポンプ。
6. 継鉄（４４）の一方の自由端部がロータ側の永久磁石（５０）の軸方向に、継鉄（４４）の他方の自由端部がロータ側の永久磁石（５０）の半径方向に、それぞれ配置されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の真空ポンプ。
7. スラスト磁気軸受け（４０）が、ロータ（１２）の重心（２０）のほぼ半径方向で、２つのラジアル磁気軸受け（１６，１８）の間に配置されており、両ラジアル磁気軸受け（１６，１８）が、それぞれロータ重心（２０）に対して軸方向の間隔を置いて配置されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の真空ポンプ。
8. 電磁コイル（４２；２４１〜２４３）が、半径方向で見て前記永久磁石（５４；２５４）の外側または内側に配置されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の真空ポンプ。
9. 継鉄（３４０）と補償磁石（３５４）との間のエアギャップが、横断平面に対して傾けられている、請求項１から８までのいずれか１項記載の真空ポンプ。
10. ラジアル磁気軸受け（１６；１８）が、軸方向で互いにずれなしに配置されている永久磁石リング（２２，２４）によって形成されている、請求項１から９までのいずれか１項記載の真空ポンプ。