JP2007085337A - 真空ポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】真空ポンプおよび制御電子装置の自由な組み合わせ可能性が与えられ且つ確実な超過回転速度保護が保証されている真空ポンプ装置を提供する。
【解決手段】真空ポンプ（１）および制御ユニット（２）を備えた真空ポンプ装置であって、この場合、真空ポンプが、永久磁石で励起されるロータを備えたブラシレス多相同期電動機（３）を有し、およびこの場合、制御ユニットが、駆動マイクロ・コントローラ（５）および最終段（６ａ、６ｂ）を含み、およびモータの回転速度をモニタリングする第２のマイクロ・コントローラを備えた前記真空ポンプが開示される。異なる制御ユニットおよび真空ポンプの組み合わせ可能性を可能にし且つ超過回転速度に対する確実な保護を保証するために、最高回転速度の超過を検出したときに最終段（６ａ、６ｂ）を遮断する第２のマイクロ・コントローラ（７）が制御ユニット内に配置され、および真空ポンプがポンプ・タイプ識別手段（４）を有していることが開示される。
【選択図】図１

Description

本発明は請求項１の上位概念に記載の真空ポンプ装置に関するものである。

近年、真空ポンプ用駆動装置として、軸が高回転速度で運転される、永久磁石ロータを備えたブラシレス・モータが使用されている。例えばドイツ特許公開第１０３３１９３２号に開示されているようなターボ分子ポンプがこの例として挙げられる。このような真空ポンプにおいては、１つまたは複数のロータ内に蓄積されたエネルギーにより危険となることがある。真空ポンプのエラー機能においてこのエネルギーが解放されるべき場合、即ち周囲に放出されるべき場合、大きな損傷が発生することがある。したがって、真空ポンプのハウジングは、規定に適合した使用において、このエネルギーを吸収可能なように形成される。しかしながら、ロータ内に蓄積されたエネルギーは回転速度の関数である。最大蓄積エネルギーを制限するために、回転速度もまた最高許容値に制限されなければならない。この回転速度制限は、モータの制御電子装置がエラー機能となったときにおいても保証されなければならない。この回転速度制限においては、超過回転速度保護もまた対象となる。

したがって、ドイツ特許公開第１０２１５８９６号は、モータ電子装置の直接操作を行うマイクロ・コントローラのほかに、真空ポンプ内に配置された、特に第１のマイクロ・コントローラをモニタリングする第２のマイクロ・コントローラを設けることを開示している。この方法における欠点は、真空ポンプ上および真空ポンプ内に多数の部品が必要であることである。ポンプそれ自身上に高集積電子部品を配置することは、多くの使用において、例えば高い放射強度を有する環境内においては許容可能ではない。さらに、両方のマイクロ・コントローラはロータの回転を示すただ１つの回転速度センサに依存し、これにより、エラー機能に対する信頼性が制約される。さらに、電子装置を真空ポンプおよび制御電子装置上に配分することは電子装置および真空ポンプの互換性を制約することになり、即ち真空ポンプおよび電子装置は任意に組み合わせることが可能ではない。例えば、マイクロ・コントローラの機能方式（例えば基礎となるコード）が相互に調整されなければならない。これはユーザとして使いにくく且つ面倒であり、したがって、不必要なコストを与える。

したがって、真空ポンプおよび制御電子装置の自由な組み合わせ可能性が与えられ且つ確実な超過回転速度保護が保証されている真空ポンプ装置を提供することが本発明の課題である。

この課題は請求項１の特徴を有する真空ポンプ装置により解決される。請求項２ないし６の特徴は本発明の有利な変更形態を示す。
真空ポンプ装置は制御ユニットおよび真空ポンプを備え、この場合、制御ユニット内において駆動マイクロ・コントローラが最終段を操作し、これにより、永久磁石で励起されるロータを備えたブラシレス多相同期電動機が回転させられる。この駆動マイクロ・コントローラは超過回転速度に到達する前に遮断する。本発明による真空ポンプ装置においては、第２のマイクロ・コントローラが制御ユニットの内部に配置されている。真空ポンプ内にポンプ・タイプ識別手段が配置され、ポンプ・タイプ識別手段は制御ユニットにより評価される。このようにして、真空ポンプに対する最高許容回転速度が決定される。第２のマイクロ・コントローラに、ロータ回転速度に比例する信号が供給される。ロータが最高許容回転速度を超えていることを第２のマイクロ・コントローラが検出した場合、第２のマイクロ・コントローラは駆動装置の最終段を同様に遮断する。この配置においては、真空ポンプそれ自身内に少ない電気部品および電子部品のみが存在し、本質的にモータおよびポンプ・タイプ識別手段のみが存在することが有利である。最も簡単な場合、少ない電気部品および電子部品は電気抵抗であり、電気抵抗の抵抗値がポンプ・タイプを識別する。このようにして、真空ポンプは、放射により電子部品に対して高負荷が存在するような環境においても使用可能である。制御電子装置それ自身がポンプ・タイプを決定するので、真空ポンプおよび制御電子装置の自由な組み合わせ可能性が与えられている。制御電子装置が損傷した場合、欠陥のある制御電子装置はその全体が交換されるので、真空ポンプにおける費用のかかる修理は必要がなくなる。したがって、修理費は節約される。この組み合わせ可能性は、老朽化制御電子装置を新型モデルと交換することもまた可能にし、このことは従来技術において著しく困難なことであった。制御電子装置の内部に、同様に回転速度をモニタリングし且つ最終段を遮断可能な第２のマイクロ・コントローラが配置されているので、最高許容回転速度の超過に対する確実な保護が与えられている。

本発明の第１の有利な変更形態においては、第２のマイクロ・コントローラ内において、真空ポンプ内に配置されているポンプ・タイプ識別手段が評価され、これにより、真空ポンプに対する最高許容回転速度が決定される。次に、第２のマイクロ・コントローラは、この最高許容回転速度を、例えば直列のデータ・インタフェースを介して駆動マイクロ・コントローラに伝送する。このことは、最高回転速度の決定が本来の駆動系から切り離されるので、確実性を向上させる。追加部品が必要ではないので、これは効率的な形態である。

本発明の有利な変更形態においては、駆動マイクロ・コントローラが、モータの回転速度を、モータ・モデルと、および相内に設定された電流とから決定する。この変更態様は、同期電動機が、最高でも、コイル電流により発生された磁界が回転する回転速度で回転するという知見に基づいている。したがって、運転のみならず回転速度超過に対する保護もまた、センサなしに形成可能である。これにより、真空ポンプにおけるセンサは不要となり、このことが部品数をさらに低減させる。

他の実施形態においては、第２のマイクロ・コントローラが、回転周波数を、相にかかっている電圧の測定から導かれた信号から決定する。回転速度の決定が２つの異なる測定から導かれているので、各マイクロ・コントローラに固有の回転速度信号が存在し、これにより、モニタリングの確実性が向上される。要するに、常に２つのチャネルを有する冗長なモニタリングが構成可能であり、即ちモニタ装置の各部分に対して第２の経路が存在している。

他の実施形態においては、回転速度の決定に使用される、相における電流および電圧の測定が、制御ユニットの内部の電流測定点および電圧測定点において行われる。これは、制御ユニットと真空ポンプとの組み合わせ可能性を向上し、且つ駆動装置に対して、真空ポンプ内にモータとポンプ・タイプ識別手段とが配置されているにすぎないようにしている。さらに、これは、真空ポンプと制御ユニットとの間に必要な電気結線の数を低減させる。

第２のマイクロ・コントローラがそれを介して最終段を遮断するラインを、駆動マイクロ・コントローラの入口とも結合することにより、本発明を有利に変更可能である。これにより、駆動マイクロ・コントローラは、それに対して許容されない運転状態を検出し、且つ駆動装置の制御された再スタートを開始させることができる。

他の実施形態は相内の電圧の測定に関するものである。これらの電圧は、この変更態様により、アナログ／ディジタル変換器を備えた駆動マイクロ・コントローラの一部においてディジタル信号に変換され、ディジタル信号は、次に、第２のマイクロ・コントローラにより評価される。このようにして、追加の変換器部品は回避される。

図により本発明を一実施例で詳細に説明し且つその利点を明らかにする。

例として挙げた本発明による真空ポンプ装置の略系統図が図１に示されている。真空ポンプ１はモータ３を有している。モータ３は永久磁石同期電動機（ＰＭＳＭ）として形成され、即ち、モータのロータは永久磁石を有し、永久磁石は、モータ・ステータに配置されているコイルにより包囲され、コイルは回転磁界を発生する。この磁界に永久磁石が磁気結合をなし、これにより、ロータは回転させられる。ロータ１０はポンプ装置１１のロータ軸と結合されているか、またはロータ軸の一部である。真空ポンプはポンプ・タイプ識別手段４を有している。ポンプ・タイプ識別手段４は電子部品であり、例えばメモリ・チップが考えられる。より簡単には、この手段は例えば電気抵抗のような簡単な電子部品として形成されているので、故障しにくいものである。異なるポンプ・タイプは、例えば、駆動装置の電力消費量、排気速度およびその他の真空技術データ、最大回転周波数、ロータの慣性モーメント等において識別される。

制御ユニット２はライン２４および２５を介して真空ポンプと結合されている。これらのラインは１つまたは複数のケーブルの構成部分である。制御ユニットは真空ポンプにフランジ結合可能に設計されていてもよい。この場合、ライン２４および２５はプラグ接点により置き換えられてもよく、これにより、構成要素間にケーブルは必要なくなる。

制御ユニットの内部に駆動マイクロ・コントローラ５および最終段が配置され、この場合、最終段６は最終段操作６ａおよび出力部分６ｂの構成要素から形成されている。駆動マイクロ・コントローラは駆動装置を制御し、即ち、駆動マイクロ・コントローラは実行されるべき整流を計算し、停止から定格回転速度へのモータの始動を行い、且つ回転速度制御および電流制御を実行する。このために、駆動マイクロ・コントローラはモータ・モデルを使用し、モータ・モデルは物理データにより回転装置（ロータ、軸、駆動装置）を表わし且つ駆動マイクロ・コントローラの内部においてシミュレートする。さらに、駆動マイクロ・コントローラは、相内において設定された測定電流を使用する。これらのデータは、それらがポンプ・タイプの関数であり且つポンプ・タイプの決定後に駆動コントローラに伝送されるので、表の形でメモリ内に記憶されている。データは、同様に制御装置内に配置されている第２のマイクロ・コントローラ内に記憶されていても、または別のメモリ内に記憶されていてもよい。真空ポンプ装置の電源が故障した場合、駆動コントローラは制御電子装置に電気を供給するためにモータの発電機運転を制御する。最終段６は多段例えば２段で設計され、最終段６は、本質的に、駆動マイクロ・コントローラの低出力レベルからモータの必要な高出力レベルへの信号増幅を行う。最終段６には、既知のように、（ここには図示されていない）電源から中間回路電圧が供給される。

図示の実施例においてはモータは三相である。これらの相の２つにおいて電流測定が行われ、電流測定は結線２０を介して駆動コントローラにフィードバックされる。この測定結果は、相にかかっている電圧と共に、駆動コントローラ内において、モータ・モデルにより計算された値と比較される。駆動コントローラが、この比較から、ポンプ・タイプに対して許容されている回転速度よりも高い実際回転速度を検出した場合、駆動コントローラは最終段を遮断する。電流測定は、さらに、電流制御ループを形成するために使用される。電流制御ループは、コイル内の電流束がコイルとロータとの間の磁気結合の強さを決定するので、必要である。一方で、この結合は、負荷がかかっているときにおいてもロータのより確実な回転を保証するのに十分強力でなければならず、他方で、電流束は最大値に制限されなければならない。

３つの全ての相において電圧が測定され且つ変換ユニット８に供給され、変換ユニット８においてアナログ電圧信号がディジタル電圧信号に変換される。変換ユニットは駆動コントローラ５の構成部分であることが有利であり、その理由は、このようにして、変換のために、最終段の操作に対する時間ベースと同じ時間ベースが使用されるからである。ディジタル化された信号はライン２２を介して第２のマイクロ・コントローラに供給される。冗長な形態の意味において、信号は、複数の並列ラインを介して伝送されてもよい。最も簡単な場合、この信号は、実際回転周波数に対応する周波数をもつ方形信号である。確実にするために、このラインは２つのチャネルとして設計されていてもよい。ディジタル化された信号から、第２のコントローラ７は回転周波数を決定する。例えば、第２のコントローラ７はある時間区間内の方形パルスの数を決定してもよい。

第２のマイクロ・コントローラはポンプ・タイプ識別手段４を評価し、且つそのメモリから、検出されたポンプ・タイプに対して許容される最高回転速度を受け取る。２つのチャネルを形成するために、この代わりに、許容最高回転速度がさらにポンプ・ユーザにより手動で入力され且つ両方の値が比較されてもよい。手動入力のために手動装置１６が使用され、手動装置１６はケーブル１５を介して制御電子装置と結合されている。一致したときにのみ、駆動装置のスタートおよび運転が開始される。

電流測定および電圧測定は制御ユニット２の内部の電流測定点３０および電圧測定点３１において行われ、これにより、制御ユニットおよび真空ポンプの高い互換性が与えられている。さらに、測定信号がそれを介して真空ポンプから制御ユニットに供給されるラインおよび／またはプラグ結合が設けられる必要はない。本質的に、駆動装置を運転するために、駆動相およびポンプ・タイプ識別手段に対してのみラインまたはプラグ結合が設けられるだけでよく、このことは著しくコストを削減させる。モータ・モデルにより、さらに、センサを設ける必要なしに、正弦波電流が流れるモータを真空ポンプの内部において使用することが可能である。これらのモータは例えばブロック整流されるモータよりもはるかに均一な運転特性を有し、その理由は、非定常のベクトル変化が存在しないからである。要するに、これにより、センサのない冗長駆動装置が形成される。

マイクロ・コントローラは直列データ・ラインを介して相互に結合されている。直列データ・ラインを介して調整命令および状態問い合わせが実行される場合、さらに、第２のマイクロ・コントローラは、この直列データ・ラインを介して、駆動マイクロ・コントローラに、最高にどの回転速度が達成されてもよいかを伝送する。モータ・モデルに基づくポンプ固有のデータもまた、このチャネルを介して伝送されてもよい。ライン２２を介して伝送されたポンプの回転速度信号が許容値を超えているか、または回転速度が、直列結線２３を介して伝送された回転速度から、許容できない程度に偏差を有することを第２のコントローラ７が評価した場合、第２のコントローラ７はライン２６を介して最終段６を遮断する。

有利な設計においては、このラインは駆動マイクロ・コントローラの入口とも結合されているので、駆動マイクロ・コントローラは、最終段の遮断を特定可能である。駆動マイクロ・コントローラは、各ロータ回転速度において、適切且つモータ状態（例えば回転速度）に適合した再始動を提供する。

真空ポンプ装置はしばしば中央制御室からモニタリングされ、このために、電子バス・システムが使用される。さらに、例えば加熱装置および冷却装置のような構成要素が使用され、これらは制御されなければならない。これらの制御は第２のマイクロ・コントローラによって行われてもよい。

真空ポンプ装置の略系統図である。

符号の説明

１ 真空ポンプ
２ 制御ユニット
３ ブラシレス多相同期電動機（モータ）
４ ポンプ・タイプ識別手段
５ 駆動マイクロ・コントローラ（駆動コントローラ）
６ 最終段
６ａ 最終段操作（最終段）
６ｂ 出力部分（最終段）
７ 第２のマイクロ・コントローラ（第２のコントローラ）
８ 変換ユニット
１０ ロータ
１１ ポンプ装置
１５ ケーブル
１６ 手動装置
２０、２１、２３ 結線
２２、２４、２５、２６ ライン
３０ 電流測定点
３１ 電圧測定点

Claims (7)

1. 真空ポンプ（１）と、制御ユニット（２）と、およびモータの回転速度をモニタリングする第２のマイクロ・コントローラとを備えた真空ポンプ装置であって、この場合、真空ポンプが、永久磁石で励起されるロータを備えたブラシレス多相同期電動機（３）を有し、およびこの場合、制御ユニットが、駆動マイクロ・コントローラ（５）および最終段（６ａ、６ｂ）を含む、前記真空ポンプ装置において、
   最高回転速度の超過を検出したときに最終段（６ａ、６ｂ）を遮断する第２のマイクロ・コントローラ（７）が制御ユニット内に配置され、および真空ポンプがポンプ・タイプ識別手段（４）を有することを特徴とする真空ポンプ装置。
2. 第２のマイクロ・コントローラ（７）が、真空ポンプ内に配置されているポンプ・タイプ識別手段（４）を評価し、およびこれから、真空ポンプに対して許容される最高回転速度を決定することを特徴とする請求項１の真空ポンプ装置。
3. 駆動マイクロ・コントローラが、回転周波数を、相にかかっている電圧および相内に設定された電流の一部から決定することを特徴とする請求項１または２の真空ポンプ装置。
4. 第２のマイクロ・コントローラが、回転周波数を、相にかかっている電圧の測定から導かれた信号から決定することを特徴とする請求項３の真空ポンプ装置。
5. 回転速度の決定に使用される電流測定点（３０）および電圧測定点（３１）が制御ユニット（２）の内部に配置されていることを特徴とする請求項３または４の真空ポンプ装置。
6. 最終段の遮断に使用されるライン（２６）が駆動マイクロ・コントローラ（５）の入口と結合していることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかの真空ポンプ装置。
7. 相において測定された電圧をディジタル信号に変換するための変換ユニット（８）および駆動マイクロ・コントローラ（５）が電子部品内に配置され、この場合、ディジタル信号は第２のマイクロ・コントローラ（７）内において評価されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかの真空ポンプ装置。

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