JP2010207086A - 回転装置、ターボ分子ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】ロータが高速回転時に安定して回転し、信頼性に優れた誘導型モータの回転力により比較的高速で回転する回転装置、ターボ分子ポンプを提供すること。
【解決手段】ロータシャフト１１が誘導型モータの回転力により高速回転する回転装置であって、ロータスペーサ２０は、ロータシャフト１１に固定される小内径の固定部と該固定部の反モータロータのコア１３ａ側の端部に一体的に形成され外径寸法がモータロータのコアの外径寸法より小さい円筒状でモータエンドリング１３ｂの外周を覆う大内径の覆い部とからなり、該固定部を該ロータシャフト１１に嵌合させて固定することにより、覆い部でモータエンドリング１３ｂの反モータロータのコア１３ａ側の端部の外周を覆う。
【選択図】図６

Description

本発明は、誘導型モータのロータが固定されたロータシャフトが該誘導型モータの回転力により比較的高速で回転する回転装置、及び回転装置を備えたターボ分子ポンプに関するものである。

上記のようにロータシャフトが比較的高速で回転する回転装置の一例として、ターボ分子ポンプがある。図１はターボ分子ポンプの構成例を示す断面図である。ターボ分子ポンプは、ロータシャフト１１を備え、該ロータシャフト１１には誘導型モータ１２のモータロータ１３、ラジアル磁気軸受１４のターゲット１５、１５、ラジアル変位センサ１６の被センサ部１７、１７、アキシャル磁気軸受１８のターゲット１９、アキシャル変位センサの被センサ部（図示せず）等が一体的に固定されている。

ロータシャフト１１の上端には、回転翼６０とねじ溝部６２とを有するロータ（羽根車）６４が固着されている。そしてポンプケーシング６６の内面には、回転翼６０と交互に固定翼６８が配置され、これによって、高速回転する回転翼６０と静止している固定翼６８の相互作用によって排気を行う翼排気部Ｌ_１が構成されている。また、ねじ溝部６２を囲むようにねじ溝部スペーサ７０が配置され、これによって、高速回転するねじ溝部６２のねじ溝６２ａのドラッグ作用によって排気を行なうねじ溝排気部Ｌ_２が構成されている。このように、翼排気部Ｌ_１の下流側にねじ溝排気部Ｌ_２を設けることで、広い流量範囲に対応することが可能なターボ分子ポンプとなる。

上記の従来のターボ分子ポンプのモータロータ１３と軸方向の位置決め用のロータスペーサ２０は、図２に示すように軸方向でモータエンドリング１３ｂ、１３ｂとターゲット１５、１５に接触している。誘導型モータのモータロータ１３のコア１３ａ内に配置した導体を集合接続するモータエンドリング１３ｂが配置され、該モータエンドリング１３ｂを構成する材料には純アルミニウムの鋳込み材が用いられている。一般的にモータエンドリング用として鋳込まれている純アルミニウムの比重、引張強さ、縦弾性係数、線膨張係数を以下に示す。

比重：２．７
引張強さ：６８ＭＰａ
縦弾性係数：６８．６ＭＰａ
線膨張係数：２．４×１０^−５／℃
よって、ロータを高速回転させる際、この部分の強度が、回転体の許容回転数を制約することもある。

特開２００２−２８６０３６号公報

上記従来のターボ分子ポンプにおいて、モータエンドリング１３ｂは図２に示すように片持ち構造となっており、高速回転させたときに遠心力等により図３の破線１００に示すように弾性変形する。そのためモータエンドリング１３ｂの半径方向の変形を抑えるために、モータエンドリング１３ｂの端面をロータスペーサ２０の端面と接触させている。また、変形が抑えられることによりこの部分に作用する応力も小さくすることができる。しかし、例えばポンプにガスを導入するなど、誘導型モータ１２に負荷のかかる運転を行うと、モータロータ１３が発熱する。このときアルミニウム材からなるモータエンドリング１３ｂは膨張係数がその他の部材を構成する材料よりも大きいため、モータエンドリング１３ｂとロータスペーサ２０には、軸方向の内部応力が作用する。また、この内部応力が作用するために（モータエンドリング１３ｂとロータスペーサ２０同士が圧縮し合う）、ロータ全体の固有振動数に変化をもたらし、ロータの安定した回転を阻害するという問題があった。

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、ロータが高速回転時に安定して回転し、信頼性に優れた誘導型モータの回転力により比較的高速で回転する回転装置、ターボ分子ポンプを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明は、ロータシャフトと、該ロータシャフトに固定されたモータロータのコアと該モータロータのコア内に配置された導体と該導体を接続するモータエンドリングを具備する誘導型モータロータと、ロータシャフトの誘導型モータロータの軸方向両側に配置されたラジアル磁気軸受のターゲットと、誘導型モータロータとラジアル磁気軸受のターゲットの間に介在する位置決め用のロータスペーサとを備え、ロータシャフトが誘導型モータの回転力により回転する回転装置であって、ロータスペーサは、ロータシャフトに固定される小内径の固定部と該固定部の反モータロータのコア側の端部に一体的に形成され外径寸法がモータロータのコアの外径寸法より小さい円筒状でモータエンドリングの外周を覆う大内径の覆い部とからなり、該固定部を該ロータシャフトに嵌合させて固定することにより、覆い部でモータエンドリングの反モータロータのコア側の端部の外周を覆う構成であることを特徴とする。

上記のように、ロータスペーサの覆い部がモータロータのコア内に配置された導体を接続するモータエンドリングの反モータロータのコア側の端部の外周を覆うので、高速回転時のモータエンドリングの半径方向への変形を抑えることができ、モータエンドリングの変形による破損を防止できる。

また、本発明は、上記回転装置において、ロータスペーサは、モータロータのコアの軸方向端面にモータエンドリングより内周側にて接触していることを特徴とする。

上記のように、ロータスペーサは、モータロータのコアの軸方向端面にモータエンドリングより内周側にて接触しているので、モータロータのコア等の軸方向位置決めは熱膨張係数の大きいモータエンドリングに関係せずに行なうことができる。これによりモータエンドリングの熱膨張による内部応力の作用を抑えることができ、ロータ全体の固有振動数の変化を抑えることが可能となる。

また、本発明は、上記回転装置において、モータエンドリングの反モータロータのコア側端部とロータスペーサの覆い部の内面の間にロータシャフトの軸方向に空隙が設けられ、該モータエンドリングの反モータロータのコア側端部は非接触であることを特徴とする。

上記のように、モータエンドリングの反モータロータのコア側端部とロータスペーサの覆い部の内面の間にロータシャフトの軸方向に空隙が設けられ、モータエンドリングの反モータロータのコア側端部は非接触であるので、モータエンドリングの熱膨張による内部応力の上昇、及びそれに起因するロータ固有振動数変化を抑えることができる。

また、本発明は、上記回転装置において、モータエンドリング外周面とロータスペーサの覆い部の内周面の間にロータシャフトの半径方向に空隙が設けられ、モータエンドリング外周面が非接触であることを特徴とする。

また、本発明は、上記回転装置において、モータエンドリングの断面形状はモータロータのコア側が厚く反モータロータのコア側が薄いテーパ状になっていることを特徴とする。

上記のように、モータエンドリングの断面形状をテーパ状とすることにより、モータエンドリングの回転による変形量を抑えることができる。

また、本発明は、上記回転装置を備えたターボ分子ポンプにある。

本発明によれば、ロータスペーサは、ロータシャフトに固定される小内径の固定部と該固定部の反モータロータのコア側の端部に一体的に形成され外径寸法がモータロータのコアの外径寸法より小さい円筒状でモータエンドリングの外周を覆う大内径の覆い部とからなり、該固定部を該ロータシャフトに嵌合させて固定することにより、覆い部でモータエンドリングの反モータロータのコア側の端部の外周を覆う構成であるので、回転によるモータエンドリングの半径方向の変位を抑えることができ、破損を防止できるから、高速回転時の信頼性に優れた回転装置を提供できる。

ターボ分子ポンプの構成例を示す断面図である。 ターボ分子ポンプのシャフト組立体の構成例を示す断面図である。 図２の一部拡大図である。 本発明に係る回転装置の回転体の構成例を示す断面図である。 図４の一部拡大図である。 本発明に係る回転装置の回転体の構成例を示す断面図である。 図６の一部拡大図である。 本発明に係る回転装置の回転体の他の構成例の一部を示す断面図である。 本発明に係る回転装置の回転体の他の構成例の一部を示す断面図である。 モータエンドリングを覆う部材に用いる材料と特性を示す図である。

以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて説明する。図４は本発明に係る回転装置の回転体の構成例を示す断面図、図５はその一部拡大図である。ここで回転体１０はターボ分子ポンプのシャフト部組体を例に説明する。図示する回転体１０はロータシャフト１１を有し、該ロータシャフト１１に誘導型モータのモータロータ１３、該モータロータ１３の両側にラジアル磁気軸受のターゲット１５、１５が該ターゲット１５、１５とモータロータコア１３ａの間にロータスペーサ２０、２０を介在させて軸方向に配置されている。モータロータ１３はモータロータコア１３ａを有し、該モータロータコア１３ａに導体が配置され、該導体を集合接続するモータエンドリング１３ｂがモータロータコア１３ａの両側に配置されている。

ロータスペーサ２０は円筒状体で、内部にモータエンドリング１３ｂの外周を覆う内径の空間が形成されている。該ロータスペーサ２０、２０がモータロータコア１３ａとその両側に配置されたラジアル磁気軸受のターゲット１５、１５の間に介在した状態で、モータロータコア１３ａ、ロータスペーサ２０、２０、ラジアル磁気軸受のターゲット１５、１５等の軸方向の位置決めがなされ、且つロータスペーサ２０、２０でモータエンドリング１３ｂの半径方向外周を覆った構成となっている。つまりロータスペーサ２０、２０の一端部（反モータロータコア１３ａ側の端部）がロータシャフトに嵌合し、他端がモータエンドリング１３ｂの外周側にてモータロータコア１３ａの両端面と軸方向に接触している。また、モータエンドリング１３ｂの反モータエンドリング１３ｂ側端面とロータスペーサ２０内側の端面の間に所定の間隙ｇ１が設けられ、該モータエンドリング１３ｂの端面が非接触となっている。

上記のようにモータエンドリング１３ｂの端面とロータスペーサ２０内面間に間隙ｇ１を設け、モータエンドリング１３ｂを軸方向ではロータスペーサ２０と接触させないことにより、モータエンドリング１３ｂの熱膨張による内部応力の上昇、及びそれに起因するロータ固有振動数の変化を抑えることができる。また、ロータスペーサ２０がモータエンドリング１３ｂの半径方向外周を覆う構造とすることにより、モータエンドリング１３ｂに加わる遠心力等による半径方向の変形を抑えることができ、モータエンドリング１３ｂの変形による破損を防ぐことができる。モータエンドリング１３ｂとそれを覆うロータスペーサ２０内面との半径方向の間隙ｇ２は、回転体１０の組立できる程度の間隙が確保できればよい。

モータロータ１３とラジアル磁気軸受のターゲット１５、１５等の軸方向の位置決めは、ロータスペーサ２０、２０を介してモータエンドリング１３ｂを直接接触させないようにするため、ロータスペーサ２０、２０を図４に示すようにモータエンドリング１３ｂの外周側でモータロータコア１３ａに接触させる構成を採用する。これにより軸方向の接触は、ロータスペーサ２０、２０とモータロータコア１３ａの両端面との直接接触となる。モータロータコア１３ａを構成する材料には、強磁性材である珪素鋼板が用いられる。また、ロータスペーサ２０を構成する材料には、ＳＵＳ合金、チタン合金等が適している。ＳＵＳ合金やチタン合金の線膨張係数はアルミニウムの線膨張係数に比べるとそれぞれ小さく、また珪素鋼鈑の線膨張係数に比較的近い値であり、熱膨張による内部応力の上昇、回転体１０の全体の固有振動数への影響も小さい。

図１０にロータスペーサ２０、即ちモータエンドリング１３ｂを覆う部材に用いることができる材料とその特性（比重、引張強さ［ＭＰａ］、縦弾性係数［ＧＰａ］、線膨張係数×１０^−５／℃、比強度＝引張強さ／比重）を示す。図示するように、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ４０３、ＳＵＳ４２０、ＳＵＳ６３０、ＴＡＦ６４００がモータエンドリング１３ｂを覆う部材（ここではロータスペーサ２０）に用いることができる。

図４において、点線１０１で示す部分は、ロータスペーサ２０が、モータエンドリング１３ｂの半径方向の変形を抑えているために、ロータスペーサ２０自身が半径方向へ微小変形することを示す。このようにロータスペーサ２０自身が半径方向へ微小変形するので、図５に示すように、この部分のロータスペーサ２０の径寸法φＤｓをモータロータコア１３ａやラジアル磁気軸受のターゲット１５（図４参照）等のその他の回転体１０外径の径寸法φＤｃに対して、同等以下（Ｄｓ≦Ｄｃ）に形成しておく方が望ましい。

図６は本発明に係る回転装置の回転体の他の構成例を示す断面図、図７はその一部拡大図である。図示するように、ここではモータエンドリング１３ｂを覆う構造の部材、即ちロータスペーサ２０が、モータエンドリング１３ｂより内周側にてモータロータコア１３ａの両端面と軸方向に接触している。また、ロータスペーサ２０の反モータロータコア１３ａ側の端部近傍内部にモータエンドリング１３ｂの端部外周を覆う内径の空間が形成されている。該ロータスペーサ２０がモータロータコア１３ａとその両側に配置されたラジアル磁気軸受のターゲット１５、１５の間に介在した状態で、モータロータコア１３ａ、ロータスペーサ２０、２０、ラジアル磁気軸受のターゲット１５、１５等の軸方向の位置決めがなされ、且つロータスペーサ２０、２０でモータエンドリング１３ｂの反モータロータコア１３ａ側の端部外周を覆っている。また、モータエンドリング１３ｂの反モータロータコア１３ａ側の端面とロータスペーサ２０内側端面の間に所定の間隙ｇ１が設けられている。

上記のようにモータエンドリング１３ｂの端面とロータスペーサ２０内側端面の間に間隙ｇ１を設け、モータエンドリング１３ｂを軸方向ではロータスペーサ２０と接触させないことにより、モータエンドリング１３ｂの熱膨張による内部応力の上昇、及びそれに起因するロータ固有振動数の変化を抑えることができる。また、ロータスペーサ２０がモータエンドリング１３ｂの反モータロータコア１３ａ側の端部外周を覆う構造とすることにより、モータエンドリング１３ｂに加わる遠心力等による半径方向の変形を抑えることができ、モータエンドリング１３ｂの変形による破損を防ぐことができる。

図６において、点線１０２で示す部分は、ロータスペーサ２０が、モータエンドリング１３ｂの半径方向の変形を抑えているために、ロータスペーサ２０自身が半径方向へ微小変形することを示す。このようにロータスペーサ２０自身が半径方向へ微小変形するので、図７に示すように、この部分のロータスペーサ２０の径寸法φＤｓをモータロータコア１３ａやラジアル磁気軸受のターゲット１５（図６参照）等のその他の回転体１０外径の径寸法φＤｃに対して、同等以下（Ｄｓ≦Ｄｃ）に形成しておく方が望ましい。

図８は本発明に係る回転装置の回転体の他の構成例の一部を示す断面図である。図示するように、モータエンドリング１３ｂはその断面がモータロータコア１３ａ側が厚く、反対側が薄いテーパ状となっている。ロータスペーサ２０は内部に断面テーパ状のモータエンドリング１３ｂの外周を覆う断面テーパ状の空間が形成されている。この断面テーパ状空間にモータエンドリング１３ｂが配置され、該ロータスペーサ２０でモータエンドリング１３ｂの外周を覆っている。また、モータエンドリング１３ｂの反モータロータコア１３ａ側の端面とロータスペーサ２０内側端面の間に所定の間隙ｇ１が設けられている。

上記のようにモータエンドリング１３ｂの断面形状をテーパ構造とすることにより、モータエンドリング１３ｂの回転による遠心力による変形量を低減することができる。また、モータエンドリング１３ｂの付け根部の断面積が増えるため、モータエンドリング１３ｂの自身の構造的強度を増すことができる。また、モータエンドリング１３ｂは、モータロータコア１３ａ内の導体を流れる２次電流を集合接続している。モータロータコア１３ａの電導断面積（モータロータコア１３ａの容積）が図２に対し同等であれば電気抵抗値は同一となり、誘導型モータ性能への影響もない。電導断面積（モータエンドリング１３ｂ容積）を同一に保てればその形状は任意である。

上記のようにモータエンドリング１３ｂの端面とロータスペーサ２０内側端面の間に間隙ｇ１を設け、モータエンドリング１３ｂを軸方向ではロータスペーサ２０と接触させないことにより、モータエンドリング１３ｂの熱膨張による内部応力の上昇、及びそれに起因するロータ固有振動数の変化を抑えることができる。また、ロータスペーサ２０がモータエンドリング１３ｂの半径方向外周を覆う構造とすることにより、モータエンドリング１３ｂに加わる遠心力等による半径方向の変形を抑えることができ、モータエンドリング１３ｂの変形による破損を防ぐことができる。モータエンドリング１３ｂとそれを覆うロータスペーサ２０内面との半径方向の間隙ｇ２は、組立できる程度の間隙が確保できればよい。

図９は本発明に係る回転装置の回転体の他の構成例の一部を示す断面図である。図示するように、ここではモータエンドリング１３ｂを覆う構造の部材、即ちロータスペーサ２０が、モータエンドリング１３ｂより内周側にてモータロータコア１３ａの両端面と軸方向に接触している。モータエンドリング１３ｂはその断面がモータロータコア１３ａ側が厚く、反対側が薄いテーパ状となっている。ロータスペーサ２０の反モータロータコア１３ａ側の端部近傍内部にモータエンドリング１３ｂの端部外周を覆う内径の空間が形成されている。該ロータスペーサ２０がモータロータコア１３ａとラジアル磁気軸受のターゲット１５の間に介在した状態で、ロータスペーサ２０でモータエンドリング１３ｂの反モータロータコア１３ａ側の端部外周を覆っている。このように構成しても、図８に示す構成の回転体と同様の作用効果を奏する。

上記回転体１０を有する回転装置の適用例としては、ロータを数万回転の回転数で駆動させる図１に示すようなターボ分子ポンプが考えられ、その他、ターボ分子ポンプに比べて比較的大流量を排気させるモレキュラードラッグポンプ等に適用することもできる。また、軸受としては磁気軸受を例に説明したが、磁気軸受以外の機械式ベアリング、動圧軸受などを用いることもできる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。例えば、上記例ではモータエンドリング１３ｂの外周を覆う部材をロータスペーサ２０に一体として設けた例を説明したが、該モータエンドリング１３ｂの外周を覆う部材をロータスペーサ２０と別体としてもよい。

本発明は、ロータスペーサの反モータロータのコア側の端部に一体的に形成され外径寸法がモータロータのコアの外径寸法より小さい円筒状でモータエンドリングの外周を覆う大内径の覆い部を設け、該覆い部でモータエンドリングの反モータロータのコア側の端部外周を覆うので、回転によるモータエンドリングの半径方向の変位を抑えることにより破損を防止できる高速回転時の信頼性に優れた回転装置として利用することができる。

１０ 回転体
１１ ロータシャフト
１２ 誘導型モータ
１３ モータロータ
１３ａ モータロータコア
１３ｂ モータエンドリング
１５ ラジアル磁気軸受のターゲット
２０ ロータスペーサ

Claims (6)

1. ロータシャフトと、該ロータシャフトに固定されたモータロータのコアと該モータロータのコア内に配置された導体と該導体を接続するモータエンドリングを具備する誘導型モータロータと、前記ロータシャフトの前記誘導型モータロータの軸方向両側に配置されたラジアル磁気軸受のターゲットと、前記誘導型モータロータと前記ラジアル磁気軸受のターゲットの間に介在する位置決め用のロータスペーサとを備え、前記ロータシャフトが誘導型モータの回転力により回転する回転装置であって、
   前記ロータスペーサは、前記ロータシャフトに固定される小内径の固定部と該固定部の反前記モータロータのコア側の端部に一体的に形成され外径寸法が前記モータロータのコアの外径寸法より小さい円筒状で前記モータエンドリングの外周を覆う大内径の覆い部とからなり、該固定部を該ロータシャフトに嵌合させて固定することにより、前記覆い部で前記モータエンドリングの反前記モータロータのコア側の端部の外周を覆う構成であることを特徴とする回転装置。
2. 請求項１に記載の回転装置において、
   前記ロータスペーサは、前記モータロータのコアの軸方向端面に前記モータエンドリングより内周側にて接触していることを特徴とする回転装置。
3. 請求項１又は２に記載の回転装置において、
   前記モータエンドリングの反前記モータロータのコア側端部と前記ロータスペーサの覆い部の内面の間に前記ロータシャフトの軸方向に空隙が設けられ、該モータエンドリングの反前記モータロータのコア側端部は非接触であることを特徴とする回転装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の回転装置において、
   前記モータエンドリング外周面と前記ロータスペーサの覆い部の内周面の間に前記ロータシャフトの半径方向に空隙が設けられ、前記モータエンドリング外周面が非接触であることを特徴とする回転装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の回転装置において、
   前記モータエンドリングの断面形状は前記モータロータのコア側が厚く反モータロータのコア側が薄いテーパ状になっていることを特徴とする回転装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の回転装置を備えたことを特徴とするターボ分子ポンプ。

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