JP2005325977A

JP2005325977A - 磁気軸受装置

Info

Publication number: JP2005325977A
Application number: JP2004146776A
Authority: JP
Inventors: Masamiki Ofuji; 正幹大藤; Junichiro Ozaki; 純一郎小崎; Tomoo Ota; 知男太田
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2004-05-17
Filing date: 2004-05-17
Publication date: 2005-11-24

Abstract

【課題】停電時の回生運転モードにおいて、タッチダウンの繰り返しを防止することができる磁気軸受装置の提供。
【解決手段】ロータ４は磁気軸受５によって磁気浮上されるが、停電時には回生運転モードに切り換えてモータ６を減速駆動する際の回生電力により磁気軸受５を駆動する。その回生運転モードの際に、軸受制御部１５に供給される回生電力の電圧を電圧センサ１６により検出する。軸受制御部１５の切換部１５２は、電圧センサ１６で検出された電圧値が所定電圧ＶＬ以下となったならば、演算部１５０から励磁アンプ１５１に磁気浮上停止制御信号が出力されるように制御を切り換える。所定電圧ＶＬは回生電力で磁気浮上不能となる電圧値よりも大きく設定されており、タッチダウンの繰り返し現象の発生を確実に防止できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、ターボ分子ポンプや工作機械等に用いられる磁気軸受装置に関する。

従来、磁気軸受式ターボ分子ポンプでは、磁気軸受による磁気浮上が行われていないときには、機械式の保護ベアリングで回転体を支持するようにしている。ところで、停電等により磁気浮上が停止すると、回転体が高速回転状態で保護ベアリングに落下することになるので、従来は、回転駆動用モータを減速駆動することにより得られる回生電力を用いて、回転体を磁気浮上させるようにしている。（例えば、特許文献１参照）。

停電時に回生電力により磁気軸受を作動させてポンプ停止を行う場合には、回転体の回転速度が低下するに従って回生電力が減少し、低速回転では磁気浮上の維持に必要な回生電力が得られなくなる。そのため、一般的に数１０００ｒｐｍとなった時点で磁気浮上が維持できなくなり、保護ベアリングにタッチダウンすることになる。

特開２００３−２２２０９６号公報

ところで、上述したタッチダウンは回生電力と磁気浮上に消費する電力とのバランスがぎりぎりのところで生じる。そのため、タッチダウンにより励磁アンプの出力電流が減少して磁気浮上消費電力が減少すると回生電力に余裕が生じ、磁気軸受制御電圧が上昇して再び磁気浮上させようとする。ここで、励磁アンプへの電流が増加すると再び磁気軸受制御電圧が低下し、再度タッチダウンすることになる。

このような回生電力不足により生じる磁気浮上制御電源電圧の不安定に起因するタッチダウンの繰り返しは、回転数が大幅に減少して完全に回生電力が得られなくなるまで数十回繰り返される。このような数１０００ｒｐｍにおけるタッチダウンの繰り返しは保護ベアリングに大きなダメージを与えるため、タッチダウンが許容回数を超えた場合には保護ベアリングを交換するようにしている。そのため、停電が頻繁に起こるような使用環境では、保護ベアリング交換の間隔が短くなってオーバーホールの回数が増加するという不都合があった。特に、大型のターボ分子ポンプの場合には保護ベアリングの寿命が小型のものに比べて短くなるため、頻繁にオーバーホールを実施する必要があった。

請求項１の発明は、回転体を磁気浮上させる磁気軸受と、磁気軸受が動作していないときに回転体を支持する保護ベアリングと、外部電源から電力が供給されている場合には、外部電源の電力により磁気軸受を動作させる通常運転モードで回転体を磁気浮上させ、外部電源の電力供給停止時には、回転体の減速回転時における回生電力により磁気軸受を動作させる回生運転モードで回転体を磁気浮上させる軸受制御手段と、回生運転モード時の磁気軸受制御電源電圧の低下を検出する電圧センサと、電圧センサの検出電圧が磁気浮上不能となる限界電圧値よりも高い所定電圧値となったとき、磁気軸受への回生電力の供給を停止して停止状態を維持する停止手段とを備えたことを特徴とする。ここでいう外部電源の電力供給停止時とは、停電した時や、何らかの原因で電源ケーブルが引きちぎられた時などを含み、磁気軸受装置を使用している真空ポンプなどの通常操作としての駆動停止操作や電源オフ操作は含まない。
請求項２の発明は、回転体を磁気浮上させる磁気軸受と、磁気軸受が動作していないときに回転体を支持する保護ベアリングと、外部電源から電力が供給されている場合には、外部電源の電力により磁気軸受を動作させる通常運転モードで回転体を磁気浮上させ、外部電源の電力供給停止時には、回転体の減速回転時における回生電力により磁気軸受を動作させる回生運転モードで回転体を磁気浮上させる軸受制御手段と、回生運転モード時の回転体の回転数を検出する回転数センサと、回転数センサ検出された回転数が磁気浮上不能となる限界回転数よりも高い所定回転数となったとき、磁気軸受への回生電力の供給を停止して停止状態を維持する停止手段とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、回生運転モード時に、磁気浮上不能となる前に回転体の磁気浮上が停止されるので、タッチダウンの繰り返しを防止することができる。

以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は本発明による磁気軸受装置を説明する図であり、磁気軸受式ターボ分子ポンプの概略構成を示すブロック図である。ターボ分子ポンプはポンプ本体１と電源装置２とで構成されている。ポンプ本体１には、ロータ４とそれを回転駆動するモータ６とが設けられている。ロータ４の回転数は回転数センサ８によって検出される。ロータ４はポンプ運転時には磁気軸受５により磁気浮上しており、磁気軸受５が動作していない場合には機械式の保護ベアリング７によって支持される。

図２はポンプ本体１を詳細に示す断面図であり、複数段のロータ翼２１およびネジ溝部２２が形成されたロータ４は、ケーシング２０の内部に納められている。各ロータ翼２１の間にはステータ翼２３が各々配設され、ネジ溝部２２に対してはそれに対向するように筒状部材２４が配設されている。ロータ４を非接触支持する磁気軸受５（図１参照）は、ラジアル電磁石５１，５２およびアキシャル電磁石５３を有する５軸制御型磁気軸受を構成している。磁気軸受５には、各電磁石５１，５２および５３に対応してラジアル変位センサ５１Ｓ，５２Ｓおよびアキシャル変位センサ５３Ｓが設けられており、これらの変位センサ５１Ｓ〜５３Ｓによりロータ４の支持位置が検出される。

ロータ翼２１およびネジ溝部２２が形成されたロータ４を、電磁石５１〜５３により非接触支持しつつモータ６により回転駆動すると、吸気口側のガスは矢印Ｇ１のように背圧側（空間Ｓ１）に排気され、背圧側に排気されたガスは排気口フランジ２６に接続された補助ポンプによりポンプ本体外へ排気される。図１の保護ベアリング７は、ロータ上部に設けられたボールベアリング７１と、ロータ下部に設けられたボールベアリング７２により構成されている。

図１に戻って、電源装置２には一次電源３から交流電力が供給され、ＡＣ／ＤＣコンバータ９に入力される。入力される交流電力の電圧は電圧センサ１０によって検出される。ＡＣ／ＤＣコンバータ９は、一次電源３から供給された交流電力を直流電力に変換する。ＡＣ／ＤＣコンバータ９から出力された直流電力は、モータ６を駆動する３相インバータ１１とＤＣ／ＤＣコンバータ１２に入力される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１２に入力される直流電力の電圧は、電圧センサ１３によって検出される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力は、３相インバータ１１をＰＷＭ制御等で制御するインバータ制御回路１４、および磁気軸受５による磁気浮上の制御を行う磁気軸受制御回路１５のそれぞれに入力される。

軸受制御部１５は、軸受制御の演算を行う演算部１５０、演算部１５０で算出された制御信号に基づいて励磁電流を磁気軸受５に供給する励磁アンプ１５１、および演算部１５０から励磁アンプ１５１への制御信号をオンオフする切換部１５２を備えている。演算部１５０および切換部１５２はＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）によって構成される。切換部１５２には、軸受制御部１５に入力される直流電力の電圧を検出する電圧センサ１６からの検出信号が入力される。

後述するように、切換部１５２は、電圧センサ１６で検出された電圧値に基づいて演算部１５０から励磁アンプ１５１への制御信号をオンオフする。ここでは、概念的に制御信号をオンオフすると述べたが、オン状態とは通常の磁気浮上制御信号をＤＳＰから励磁アンプ１５１へ出力することであり、オフ状態とは磁気浮上停止の制御信号を出力することである。すなわち、切換部１５２でオンオフの切換をするとは、実際に制御信号を遮断することではなく、磁気浮上制御信号から磁気浮上停止制御信号へと切り換えることを意味する。

インバータ制御回路１４には回転数センサ８により検出されたロータ４の回転数が入力され、その回転数に基づいて３相インバータ１１を制御する。また、Ｒは回生余剰電力消費用の抵抗であり、ロータ減速時の回生電力をこの抵抗Ｒで消費する。トランジスタ制御回路１８でトランジスタ１７のオンオフを制御することにより、抵抗Ｒに流れる電流のオンオフを制御する。１９は、回生時の電力逆流防止用のダイオードである。

次に、停電時の動作について説明する。図３は停電時動作の処理手順を示すフローチャートである。ステップＳ１は停電が発生したか否かを判定するステップであり、具体的には、電圧センサ１０で検出される電源電圧が所定電圧値よりも低い状態が所定時間継続されたならば停電と判定する。そして、ステップＳ１で停電と判定されるとステップＳ２に進んで回生制御に切り換え、回生電力を磁気軸受制御電源として用いた磁気浮上および回生ブレーキの動作を開始する。その結果、ロータ４は磁気浮上が維持される。

ステップＳ３では、電圧センサ１６で検出される電圧Ｖが所定電圧ＶＬ以下となったか否かを判定しＶ≦ＶＬと判定されるとステップＳ１４に進む。ここで、所定電圧値ＶＬは回生電力により磁気浮上が可能か否かを判定する基準値であり、基本的には前述したタッチダウンの繰り返しが発生するときの電圧値Ｖ０であるが、タッチダウンの繰り返しを確実に防止するためにＶＬをＶ０よりやや高めに設定する。

ステップＳ４では、切換部１５２をオフして磁気軸受５への励磁電流を停止して、ロータ４の磁気浮上を停止する。その結果、ロータ４は回転しながら保護ベアリン７にタッチダウンする。本実施の形態では切換部１５２がオフされるため、従来のように回生電力によってロータ４が再び磁気浮上するようなことがなく、保護ベアリング７による支持が維持される。

ステップＳ５では、電圧センサ１０で検出される電圧値に基づいて、停電状態から復帰したか否かを判定する。ステップＳ５において停電状態から復帰したと判定されると、ステップＳ６に進んで、電源３の電力による磁気浮上を開始する。すなわち、停電が継続している場合にはロータ４は保護ベアリング７に支持された状態で停止し、停電状態から復帰した場合には磁気浮上状態で停止することになる。

なお、停電状態から復帰した場合でも切換部１５２はオフ状態が維持され、例えば、オペレータにより手動リセットすることによりオフからオンへと切り換えられる。また、電圧センサ１６の電圧値に代えて、電圧センサ１３の電圧値に基づいて切換部１５２をオンからオフへと切り換えるようにしても良い。この場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の入力電圧値と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２から軸受制御部１５に出力される電力の電圧値との割合から類推して、ステップＳ３における基準電圧を設定する。

図３に示した動作例では電圧センサ１６で検出される電圧に基づいて磁気浮上停止を決定したが、例えば図４に示すブロック図のように、回転数センサ８で検出された回転数に基づいて切換部１５２をオフするようにしてもよい。ロータ４の回転数と回生電力との間には相関があるので、上述した電圧値ＶＬに対応する回転数ｎ_ＬをステップＳ３における判定に用いれば良い。すなわち、ステップＳ３の判定は、ロータ回転数ｎがｎ≦ｎ_Ｌか否かによって判定を行い、ｎ≦ｎ_Ｌと判定されるとステップＳ４へと進む。例えば、タッチダウンの繰り返しが発生する回転数が５０００ｒｐｍであったとすれば、ｎ_Ｌ＝５５００ｒｐｍのように高回転側にｎ_Ｌを設定する。

上述したように、本実施の形態の磁気軸受装置では、停電時の回生磁気浮上動作時に、磁気軸受制御部１５に入力される電力の電圧がＶＬ以下となった場合、または、ロータ回転数がｎ_Ｌ以下となった場合に磁気浮上を停止するようにしたので、従来のようなタッチダウン繰り返し現象の発生を防止することができる。その結果、停電動作時における保護ベアリング７のダメージを軽減することができ、保護ベアリング７の寿命向上およびオーバーホールの回数低減を図ることができる。また、タッチダウン時に、ターボ分子ポンプが接続された装置等の周辺機器に伝わる振動の低減も図れる。

以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、ロータ４は回転体を、演算部１５０は軸受制御手段を、切換部１５２は停止手段をそれぞれ構成する。上述した実施の形態では磁気軸受式ターボ分子ポンプを例に説明したが、本発明は磁気軸受式ターボ分子ポンプに限らず、回転体を支持する様々な磁気軸受装置に適用することができる。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

本発明による磁気軸受装置を説明する図であり、磁気軸受式ターボ分子ポンプの概略構成を示すブロック図である。ポンプ本体１の詳細断面図である。停電時動作の処理手順を示すフローチャートである。変形例を示すブロック図である。

符号の説明

１ポンプ本体
２電源装置
３一次電源
４ロータ
５磁気軸受
６モータ
７，７１，７２保護ベアリング
８回転数センサ
９ＡＣ／ＤＣコンバータ
１０，１３，１６電圧センサ
１１３相インバータ
１２ＤＣ／ＤＣコンバータ
１４インバータ制御回路
１５軸受制御部
１７トランジスタ
１８トランジスタ制御回路
１５０演算部
１５１励磁アンプ
１５２切換部
Ｒ抵抗

Claims

回転体を磁気浮上させる磁気軸受と、
前記磁気軸受が動作していないときに前記回転体を支持する保護ベアリングと、
外部電源から電力が供給されている場合には、前記外部電源の電力により前記磁気軸受を動作させる通常運転モードで前記回転体を磁気浮上させ、前記外部電源の電力供給停止時には、前記回転体の減速回転時における回生電力により前記磁気軸受を動作させる回生運転モードで前記回転体を磁気浮上させる軸受制御手段と、
前記回生運転モード時の磁気軸受制御電源電圧の低下を検出する電圧センサと、
前記電圧センサの検出電圧が磁気浮上不能となる限界電圧値よりも高い所定電圧値となったとき、前記磁気軸受への前記回生電力の供給を停止して停止状態を維持する停止手段とを備えたことを特徴とする磁気軸受装置。
回転体を磁気浮上させる磁気軸受と、
前記磁気軸受が動作していないときに前記回転体を支持する保護ベアリングと、
外部電源から電力が供給されている場合には、前記外部電源の電力により前記磁気軸受を動作させる通常運転モードで前記回転体を磁気浮上させ、前記外部電源の電力供給停止時には、前記回転体の減速回転時における回生電力により前記磁気軸受を動作させる回生運転モードで前記回転体を磁気浮上させる軸受制御手段と、
前記回生運転モード時の前記回転体の回転数を検出する回転数センサと、
前記回転数センサ検出された回転数が磁気浮上不能となる限界回転数よりも高い所定回転数となったとき、前記磁気軸受への前記回生電力の供給を停止して停止状態を維持する停止手段とを備えたことを特徴とする磁気軸受装置。