JP2006145006A - 磁気軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 異常が発生した場合に、不必要な運転停止は行わず、必要な場合には確実に運転を停止できる磁気軸受装置を提供する。
【解決手段】 磁気軸受装置は、電動モータ9により回転させられる回転体4を電磁石の磁気吸引力によりアキシアル方向およびラジアル方向に非接触支持する制御型磁気軸受5,6,7と、タッチダウン用の保護軸受と、磁気軸受5,6,7の電磁石および電動モータ9を制御する制御装置2とを備えている。制御装置2が、異常発生時に異常の内容を識別する異常内容識別手段と、異常の内容に基づいて自動リセットの可否を決定する自動リセット可否決定手段と、自動リセットが可の場合は自動リセットを行って運転を継続し自動リセットが不可の場合は運転を停止する異常時運転制御手段とを備えている。
【選択図】 図１

Description

この発明は、たとえばターボ分子ポンプなどに用いられ、回転体を磁気軸受により非接触支持して回転させる磁気軸受装置に関する。

この種の磁気軸受装置として、機械本体（たとえば、ターボ分子ポンプの場合はポンプ本体。）とコントローラ(制御装置）がケーブルで接続されており、機械本体に、回転体と、電磁石の磁気吸引力により回転体をアキシアル方向およびラジアル方向に非接触支持する制御型アキシアル磁気軸受およびラジアル磁気軸受と、回転体のアキシアル方向およびラジアル方向の変位を検出するための変位センサと、回転体を回転させる電動モータと、回転体の回転数を検出するための回転センサと、タッチダウン用の保護軸受とが設けられ、コントローラが、変位センサの出力に基づいて磁気軸受の電磁石を制御するとともに、回転センサの出力に基づいて電動モータを制御するものが知られている。

回転体は、アキシアル磁気軸受およびラジアル磁気軸受によって非接触支持された状態で、電動モータによって高速回転させられ、停電時や磁気軸受の異常動作時などには、回転体がタッチダウンして保護軸受に接触し、保護軸受が回転体を受けて磁気軸受などを保護するようになっている。

このような磁気軸受装置では、運転中に、種々の異常が発生するが、従来は、安全性を考慮して、異常が発生すると、異常の内容にかかわらず、運転を停止させていた（たとえば特許文献１参照）。
特開２００３−０９７５５４号公報

磁気軸受装置の運転中に発生する異常には、たとえば一時的振動や外乱によるもの、一時的な停電や電圧低下など、運転を停止しなくても、リセットを行って運転を継続すれば問題のないものもある。

ところが、従来の磁気軸受装置では、異常が発生すると、運転停止の必要がない場合でも、運転を停止してしまい、運転停止後に、作業者が異常の内容を確認して、運転継続が可能であると判断すれば、リセットを行い、運転を再開することになる。このため、異常発生から運転再開までの時間が無駄になることがある。

とくに、イオン注入装置、スパッタ装置、半導体／液晶製造装置などに使用されるターボ分子ポンプに磁気軸受装置を適用する場合、ターボ分子ポンプは、超真空状態を得たり、反応性ガスを吸引したりするために、連続回転で使用される場合がほとんどであり、ターボ分子ポンプを構成する磁気軸受装置の異常のために装置全体を停止させることは、大きな損害を発生することがある。

一方、磁気軸受装置の使用状況によっては、些細な異常でも運転を確実に停止させることが必要な場合もある。

この発明の目的は、上記の問題を解決し、異常が発生した場合に、不必要な運転停止は行わず、必要な場合には確実に運転を停止できる磁気軸受装置を提供することにある。

この発明による磁気軸受装置は、電動モータにより回転させられる回転体を電磁石の磁気吸引力によりアキシアル方向およびラジアル方向に非接触支持する制御型磁気軸受と、タッチダウン用の保護軸受と、磁気軸受の電磁石および電動モータを制御する制御装置とを備えている磁気軸受装置において、制御装置が、異常発生時に異常の内容を識別する異常内容識別手段と、異常の内容に基づいて自動リセットの可否を決定する自動リセット可否決定手段と、自動リセットが可の場合は自動リセットを行って運転を継続し自動リセットが不可の場合は運転を停止する異常時運転制御手段とを備えていることを特徴とするものである。

磁気軸受装置は、たとえば、アキシアル方向の制御軸（アキシアル制御軸）と、アキシアル方向の２箇所においてアキシアル制御軸と直交するとともに互いに直交するそれぞれ２つのラジアル方向の制御軸(ラジアル制御軸）とを有する５軸制御型磁気軸受装置である。

特許請求の範囲および明細書において、「リセット」は正常復帰させることを意味し、「自動リセット」は自動的に異常状況の優先度・重要度を判断し、正常復帰させることを意味する。

磁気軸受装置の運転中に異常が発生した場合、異常内容識別手段により、異常の内容が識別され、自動リセット可否決定手段により、異常の内容に基づいて、自動リセットが可であるか不可であるかが決定される。そして、異常時運転制御手段により、自動リセットが不可の場合は、運転が停止され、自動リセットが可の場合は、自動リセットが行われて、運転が継続される。

異常の内容によって自動リセットが可であると決定された場合には、運転が停止されないので、異常発生時に、不必要な運転停止を行うことが防止され、それによる無駄をなくすことができる。しかも、異常の内容によって自動リセットが不可であると決定された場合には、運転が停止されるので、必要な場合には確実に運転を停止させることができる。

この発明の磁気軸受装置において、たとえば、異常時運転制御手段が、自動リセットを行って運転を継続しても異常が所定回数継続する場合には運転を停止するものである。

異常の内容に基づいて自動リセットが可であると決定された場合、自動リセットが行われて運転が継続されるが、自動リセットと運転継続が所定回数繰り返されても異常が継続するときは、運転が停止される。

このようにすれば、異常の内容に基づいて自動リセットが可であると判断された場合であっても、異常が継続するときには、運転を停止して、作業者の判断を仰ぐことができ、異常が継続することによる危険を防止することができる。

上記の磁気軸受装置において、たとえば、制御装置が、作業者用操作部の操作に基づいて、異常発生から自動リセットを行うまでの待機時間、自動リセットを行って運転を継続しても異常が継続する場合に運転を停止するまでの自動リセットの繰り返し回数、および自動リセットを禁止するか否かの少なくとも１つを設定する機能を有する。

上記の待機時間、自動リセット繰り返し回数あるいは自動リセットの禁止の設定は、作業者が作業者用操作部を操作することによって行われる。

好ましくは、待機時間、自動リセットの繰り返し回数および自動リセットの禁止の全てについて、作業者用操作部の操作に基づいて、任意の値あるいは状態に設定できるようにする。たとえば、待機時間、繰り返し回数および自動リセットの禁止については、所定の標準待機時間、標準繰り返し回数および標準状態（たとえば自動リセット許可状態）が初期設定として設定されている。

自動リセットが禁止状態に設定されている場合、異常が発生すると、その内容にかかわらず、運転が停止される。

自動リセットが許可状態に設定されている場合、異常の内容が自動リセット不可のときは、運転が停止され、異常の内容が自動リセット可のときは、自動リセットが行われて運転が継続される。自動リセットが行われる場合、異常が発生してから設定された待機時間が経過したときに自動リセットが行われる。また、自動リセットを設定された繰り返し回数繰り返しても異常が継続している場合は、運転が停止される。

自動リセットを禁止するか否かを任意に設定できるようにした場合、磁気軸受装置の使用状況に応じて自動リセットを禁止して、異常が発生したときに確実に運転を停止させるようにすることができる。また、待機時間あるいは繰り返し回数を任意に設定できるようにした場合、異常が発生したときに、磁気軸受装置の使用状況に応じた最適な自動リセットを行うことができる。

待機時間、自動リセットの繰り返し回数のいずれかが任意に設定されている場合であっても、自動リセットを行うときに、異常の内容によっては、任意に設定された値を用いずに、予め内部的に設定されている初期設定値を用いるようにすることができる。

自動リセットが禁止状態に設定されている場合あるいは異常の内容が自動リセット不可である場合、異常が発生するとすぐに運転を停止するが、異常の内容によって、手動リセットを可能にしたり、不可能にしたりすることができる。

この発明の磁気軸受装置によれば、上記のように、異常発生時に、不必要な運転停止を行うことを防止することができ、しかも、必要な場合には確実に運転を停止させることができる。したがって、たとえば、磁気軸受装置がターボ分子ポンプに適用された場合、異常発生時に、磁気軸受装置が不必要に停止して、ターボ分子ポンプが使用されている装置全体が停止することを防止することができる。

以下、図面を参照して、この発明を５軸制御型磁気軸受装置に適用した実施形態について説明する。

図１は磁気軸受装置の全体構成を概略的に示すブロック図、図２は磁気軸受装置の機械的部分の主要部を示す縦断面図、図３は同横断面図である。

磁気軸受装置は、ケーブルにより接続された機械本体(1)およびコントローラ（制御装置）(2)を備えている。

磁気軸受装置は、鉛直円筒状のケーシング(3)の内側で鉛直軸状の回転体（ロータ）(4)が回転する縦型のものである。以下の説明において、回転体(4)の鉛直な軸方向（アキシアル方向）の制御軸（アキシアル制御軸）をＺ軸、Ｚ軸と直交するとともに互いに直交する２つの水平な径方向（ラジアル方向）の制御軸（ラジアル制御軸）をＸ軸およびＹ軸とする。

機械本体(1)には、回転体(4)を軸方向に非接触支持する１組の制御型アキシアル軸受(5)、回転体(4)を径方向に非接触支持する上下２組の制御型ラジアル磁気軸受(6)(7)、回転体(4)の軸方向および径方向の変位を検出するための変位検出部(8)、回転体(4)を高速回転させるためのビルトイン型電動モータ(9)、回転体(4)の回転数を検出するための回転センサ(10)、ならびに回転体(4)の軸方向および径方向の可動範囲を規制して回転体(4)を磁気軸受(5)(6)(7)で支持していないときに回転体(4)を機械的に支持する上下２組のタッチダウン用の保護軸受(11)(12)が設けられている。

コントローラ(2)には、センサ回路(13)(30)、電磁石駆動回路(14)、インバータ(15)およびＤＳＰボード(16)が設けられ、ＤＳＰボード(16)には、ソフトウェアプログラムが可能なディジタル処理手段としてのＤＳＰ(17)、ＲＯＭ(18)、不揮発性記憶装置としてのＲＡＭ(19)、ＡＤ変換器(20)(31)およびＤＡ変換器(21)(32)が設けられている。

変位検出部(8)は、回転体(4)の軸方向の変位を検出するための１個のアキシアル変位センサ(23)、および回転体(4)の径方向の変位を検出するための上下２組のラジアル変位センサユニット(24)(25)を備えている。

アキシアル磁気軸受(5)は、回転体(4)の下部に一体に形成されたフランジ部(4a)をＺ軸方向の両側から挟むように配置された１対のアキシアル電磁石(26a)(26b)を備えている。アキシアル電磁石は、符号(26)で総称する。

アキシアル変位センサ(23)は、回転体(4)の下端面にＺ軸方向の下側から対向するように配置され、回転体(4)の下端面との距離（空隙）に比例する距離信号を出力する。

２組のラジアル磁気軸受(6)(7)は、アキシアル磁気軸受(5)の上側において上下方向に所定の距離をおいて配置されており、これらの間にモータ(9)が配置されている。上側のラジアル磁気軸受(6)は、回転体(4)をＸ軸方向の両側から挟むように配置された１対のラジアル電磁石(27a)(27b)、および回転体(4)をＹ軸方向の両側から挟むように配置された１対のラジアル電磁石(27c)(27d)を備えている。これらのラジアル電磁石は、符号(27)で総称する。同様に、下側のラジアル磁気軸受(7)も、２対のラジアル電磁石(28a)(28b)(28c)(28d)を備えている。これらの電磁石も、符号(28)で総称する。

上側のラジアル変位センサユニット(24)は、上側のラジアル磁気軸受(6)の近傍に配置されており、Ｘ軸方向の電磁石(27a)(27b)の近傍においてＸ軸方向の両側から回転体(4)を挟むように配置された１対のラジアル変位センサ(29a)(29b)、およびＹ軸方向の電磁石(27c)(27d)の近傍においてＹ軸方向の両側から回転体(4)を挟むように配置された１対のラジアル変位センサ(29c)(29d)を備えている。これらのラジアル変位センサは、符号(29)で総称する。同様に、下側のラジアル変位センサユニット(25)は、下側のラジアル磁気軸受(7)の近傍に配置されており、２対のラジアル変位センサ(30a)(30b)(30c)(30d)を備えている。これらのラジアル変位センサも、符号(30)で総称する。各ラジアル変位センサ(29)(30)は、回転体(4)の外周面との距離に比例する距離信号を出力する。

電磁石(26)(27)(28)、変位センサ(23)(29)(30)は、ケーシング(3)に固定されている。

保護軸受(11)(12)はアンギュラ玉軸受などの転がり軸受よりなり、各保護軸受(11)(12)の外輪がケーシング(3)に固定され、内輪が回転体(4)の周囲に所定の隙間をあけて配置されている。２組の保護軸受(11)(12)はいずれも径方向の支持が可能なものであり、少なくとも１組は軸方向の支持も可能なものである。

コントローラ(2)のＲＯＭ(18)には、ＤＳＰ(17)における処理プログラムなどが格納されている。ＲＡＭ(19)には、磁気軸受の制御パラメータ、後述する異常監視および異常発生時の処理のための種々の異常処理用データなどが記憶されている。

センサ回路(13)は、変位検出部(8)の各変位センサ(23)(29)(30)を駆動し、各変位センサ(23)(29)(30)の出力に基づいて、回転体の軸方向の変位、ならびに上下のラジアル変位センサユニット(24)(25)の部分におけるＸ軸方向およびＹ軸方向の変位を演算し、その演算結果である変位信号をＡＤ変換器(20)を介してＤＳＰ(17)に出力する。変位検出部(8)およびセンサ回路(13)により、変位検出手段が構成されている。

センサ回路(30)は、回転センサ(10)を駆動し、回転センサ(10)の出力を回転体(4)の回転数に対応する回転数信号に変換し、これをＡＤ変換器(31)を介してＤＳＰ(17)に出力する。

ＤＳＰ(17)は、ＡＤ変換器(20)から入力する変位信号に基づいて、各磁気軸受(5)(6)(7)の各電磁石(26)(27)(28)に対する制御電流値を求め、一定の定常電流値に制御電流値を加えた励磁電流信号をＤＡ変換器(21)を介して磁気軸受駆動回路(14)に出力する。そして、駆動回路(14)は、ＤＳＰ(17)からの励磁電流信号に基づく励磁電流を対応する磁気軸受(5)(6)(7)の電磁石(26)(27)(28)に供給し、これにより、回転体(4)が所定の目標位置に非接触される。ＤＳＰ(17)は、また、回転センサ(10)からの回転数信号に基づいて、モータ(9)に対する回転数指令信号をＤＡ変換器(32)を介してインバータ(15)に出力し、インバータ(15)は、この信号に基づいて、モータ(9)の回転数を制御する。そして、その結果、回転体(4)が、磁気軸受(5)(6)(7)により目標位置に非接触支持された状態で、モータ(9)により高速回転させられる。

図示は省略したが、コントローラ(2)には、作業者用操作部たとえば操作パネルが設けられている。この操作パネルは、オペレータが磁気軸受装置運転のための種々のデータの入力、後述する異常発生時の処理のための種々のデータの設定などのために使用される。

磁気軸受装置の運転中、コントローラ(2)により、異常が監視されている。たとえば、タッチダウンが行われると、ＲＡＭ(19)に記憶されているタッチダウン回数のカウント値が１増加されて新たに記憶される。これにより、タッチダウンが１回行われる度に、カウント値が１ずつ増加する。このカウント値が所定の値に達するとタッチダウン回数オーバーの異常と判定される。

磁気軸受装置の運転中に異常が発生すると、ＲＡＭ(19)に記憶されている異常処理用データおよび異常の内容などによって、運転を停止するか、自動リセットを行って運転を継続するかが選択される。

異常処理用データとしては、たとえば、自動リセットフラグ、自動リセット待機時間および自動リセット繰り返し回数がある。自動リセットフラグは、自動リセットを禁止するか否かの状態を示すフラグであり、自動リセットを許可するときはオンに、禁止するときはオフに設定される。自動リセットの初期設定状態（デフォルト）はたとえばオンであり、オペレータがその設定を自由に変えられるようになっている。自動リセット待機時間は、異常発生から自動リセットを行うまでの待機時間である。自動リセット繰り返し回数は、自動リセットを行って運転を継続しても異常が継続する場合に運転を停止するまでの自動リセットの繰り返し回数である。自動リセット待機時間および自動リセット繰り返し回数の初期設定値（デフォルト）は、それぞれ、たとえば３秒および３回であり、オペレータがその数値を任意に設定できるようになっている。

次に、図４のフローチャートを参照して、異常発生時の処理の１例について説明する。

図４において、異常が発生すると、まず、公知の方法によって異常の内容が識別され、その内容に基づいて、自動リセットの可否が決定される（ステップ101）。そして、自動リセットフラグがオンであるかどうかが調べられ（ステップ102）、オンでなければ、異常が確定され（ステップ103）、運転が停止される（ステップ104）。ステップ101において、自動リセットフラグがオンであったときは、自動リセットが可であるかどうかが調べられ（ステップ105）、不可であれば、ステップ103に進む。

ステップ105において、自動リセットが可であった場合は、ブレーキ動作が行われ（ステップ106）、異常発生から自動リセット待機時間が経過したときに、自動リセットと再起動が行われる（ステップ107）。そして、異常が継続しているかどうかが調べられ（ステップ108）、継続していなければ、そのまま運転が継続される（ステップ109）。

ステップ108において、異常が継続していた場合は、異常が自動リセット繰り返し回数継続しているかどうかが調べられ（ステップ110）、そうでなければ、ステップ101に戻って、上記の動作が繰り返される。ステップ110において、異常が自動リセット繰り返し回数継続していた場合は、ステップ103に進む。

これにより、自動リセットフラグがオフに設定されている場合は、異常の内容にかかわらず、運転が停止される。自動リセットフラグがオンに設定されている場合であっても、異常の内容に基づいて自動リセットが不可であると決定された場合も、運転が停止される。自動リセットフラグがオンに設定されている場合であって、異常の内容に基づいて自動リセットが可であると決定された場合は、自動リセットが行われて、運転が継続される。しかし、自動リセットを自動リセット繰り返し回数繰り返しても、異常が継続する場合は、運転が停止される。

なお、自動リセットが禁止されて自動リセットフラグがオフに設定されていることにより、自動リセットが行われずにステップ103および104が実行されて運転が停止された場合は、後述するように、異常の内容によっては、オペレータが手動でリセットを行って運転を再開する手動リセットを行うことができる。

磁気軸受装置がターボ分子ポンプに使用される場合の異常には、たとえば、外部振動、ガス負荷の過大などが原因で発生する変位センサ異常、ガス負荷過大、異物混入などが原因で発生する電磁石の負荷異常、負荷変動過大、インバータ(15)の異常などが原因で発生するオーバースピード、環境温度の高いこと、負荷容量過大などが原因で発生するコントローラ(2)の温度異常、磁気軸受装置が接続された外部装置から外部停止信号が入力することによるインターロック、ガス負荷過大、インバータ(15)の異常などが原因で発生する加速不良、ガス負荷過大、環境温度が高いことなどが原因で発生する機械本体(1)の温度異常、供給電圧過大、サージ電圧印加などが原因で発生するインバータ(15)の過電流・過電圧、生成物付着などによる回転体(4)のアンバランス過大が原因で発生するアンバランス異常、前記のタッチダウン回数オーバー、供給電圧停止、低下などが原因で発生する停電・電圧低下などがある。

これらの異常には、外部要因によるもの、内部要因によるものであって影響の小さいものおよび内部要因によるものであって影響の大きいものがある。

変位センサ異常、負荷異常、コントローラの温度異常、過電流・過電圧、停電・電圧低下は、外部要因によるものであり、かつ内部要因によるものであって影響の小さいものである。オーバースピード、加速不良、機械本体の温度異常、タッチダウン回数オーバーは、外部要因によるものであり、かつ内部要因によるものであって影響の大きいものである。アンバランス異常は、内部要因によるものであって影響の大きいものである。

この例では、外部要因であり、かつ内部要因であって影響の小さい異常については、自動リセットが可であり、自動リセット待機時間および自動リセット繰り返し回数は、オペレータにより設定された値が使用される。オペレータによる設定がなされていない場合は、もちろん、初期設定値が使用される。また、手動リセットも可能である。外部要因であり、かつ内部要因であって影響の大きい異常については、自動リセットは可であるが、自動リセット待機時間および自動リセット繰り返し回数は、初期設定値が使用される。また、手動リセットも可能である。内部要因であって影響の大きい異常については、自動リセットは不可であり、手動リセットもできない。

磁気軸受装置の全体構成あるいは各部の構成、制御の方法などは、上記実施形態のものに限らず、適宜変更可能である。

図１は、磁気軸受装置の全体構成を概略的に示すブロック図である。 図２は、図１の磁気軸受装置の機械的部分の主要部を示す縦断面図である。 図３は、図２の横断面図である。 図４は、異常発生時のＤＳＰの動作の１例を示すフローチャートである。

符号の説明

(1) 機械本体
(2) コントローラ
(4) 回転体
(5) アキシアル磁気軸受
(6)(7) ラジアル磁気軸受
(9) 電動モータ
(11)(12) 保護軸受
(26a)(26b) アキシアル電磁石
(27a)(27b)(27c)(27d)(28a)(28b)(28c)(28d) ラジアル電磁石

Claims (3)

1. 電動モータにより回転させられる回転体を電磁石の磁気吸引力によりアキシアル方向およびラジアル方向に非接触支持する制御型磁気軸受と、タッチダウン用の保護軸受と、磁気軸受の電磁石および電動モータを制御する制御装置とを備えている磁気軸受装置において、
   制御装置が、異常発生時に異常の内容を識別する異常内容識別手段と、異常の内容に基づいて自動リセットの可否を決定する自動リセット可否決定手段と、自動リセットが可の場合は自動リセットを行って運転を継続し自動リセットが不可の場合は運転を停止する異常時運転制御手段とを備えていることを特徴とする磁気軸受装置。
2. 異常時運転制御手段が、自動リセットを行って運転を継続しても異常が所定回数継続する場合には運転を停止するものであることを特徴とする請求項１の磁気軸受装置。
3. 制御装置が、作業者用操作部の操作に基づいて、異常発生から自動リセットを行うまでの待機時間、自動リセットを行って運転を継続しても異常が継続する場合に運転を停止するまでの自動リセットの繰り返し回数、および自動リセットを禁止するか否かの少なくとも１つを設定する機能を有することを特徴とする請求項２の磁気軸受装置。

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