JP2012193705A - Vacuum pump and rotation-starting method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、回転始動性に優れた真空ポンプ、および真空ポンプの回転始動方法に関する。 The present invention relates to a vacuum pump excellent in rotation startability and a rotation start method of the vacuum pump.
ターボ分子ポンプは、回転翼が形成されたロータを固定翼に対して高速回転することにより、気体排気を行っている。ロータの回転駆動には、例えばブラシレスDCモータが用いられる。ブラシレスDCモータを駆動制御する場合、ホールセンサによってモータロータの磁極位置(角度)を検出し、ホールセンサの出力信号に基づいてモータの各巻線の電流を切り換えるようにしている(例えば、特許文献1参照)。 The turbo molecular pump performs gas exhaust by rotating the rotor on which the rotor blades are formed at a high speed with respect to the stationary blades. For example, a brushless DC motor is used to drive the rotor. When driving and controlling a brushless DC motor, the magnetic pole position (angle) of the motor rotor is detected by the hall sensor, and the current of each winding of the motor is switched based on the output signal of the hall sensor (see, for example, Patent Document 1). ).
しかしながら、ホールセンサを用いて磁極位置を検出するには、ホールセンサを120deg間隔で3個設ける必要があり、コストアップを招くという欠点があった。そのため、インダクタンス式の回転センサを1個使用し、ロータの回転方向を検出する方法が知られている(例えば、特許文献2参照)。 However, in order to detect the magnetic pole position using the Hall sensor, it is necessary to provide three Hall sensors at intervals of 120 deg. Therefore, a method of detecting the rotation direction of the rotor by using one inductance type rotation sensor is known (for example, see Patent Document 2).
しかしながら、回転センサはホールセンサのようにロータの回転位置を正確に検出することができない。そのため、回転開始時(始動時)はトライアンドエラーの逐次手順で正方向回転状態へもって行く必要がある。その過程では一時的に逆回転することもあり、正方向回転状態となるまでに時間を要する場合もあった。 However, the rotation sensor cannot accurately detect the rotational position of the rotor, unlike the hall sensor. For this reason, at the start of rotation (at the time of starting), it is necessary to take the forward rotation state by a trial and error sequential procedure. In this process, the reverse rotation may occur temporarily, and it may take time to reach the forward rotation state.
請求項1の発明に係る真空ポンプは、ポンプロータを磁気浮上させる磁気軸受と、磁気軸受の励磁電流を制御してポンプロータの浮上位置を制御する磁気軸受制御部と、ポンプロータに固定され、永久磁石を有するモータロータと、モータロータを回転駆動するモータステータと、磁気軸受によりポンプロータを軸受中心位置から所定径方向に偏心させ、かつ、モータステータにより所定径方向を向いた固定磁界を発生させて、ポンプロータの回転方向の角度を調整する第1の調整手段と、第1の調整手段により回転方向の角度が調整されたポンプロータを、所定径方向に偏心した状態から軸受中心位置に戻す第2の調整手段と、第2の調整手段により軸受中心位置に戻されたポンプロータを回転させるための回転磁界をモータステータにより発生させるモータ制御部と、を備えたことを特徴とする。
請求項2の発明は、請求項1に記載の真空ポンプにおいて、第2の調整手段は、第1の調整手段による角度調整が開始されてから所定停止時間経過した後に、ポンプロータを軸受中心位置に戻すことを特徴とする。
請求項3の発明は、ポンプロータを磁気軸受で磁気浮上させ、モータにより回転駆動する真空ポンプの回転始動方法であって、磁気軸受によりポンプロータを軸受中心位置から所定径方向に偏心させる工程と、モータのモータステータにより所定径方向を向いた固定磁界を発生させる工程と、所定時間経過後にポンプロータを軸受中心位置に戻す工程と、ポンプロータをモータにより回転駆動する工程と、を有する。
The vacuum pump according to the invention of
According to a second aspect of the present invention, in the vacuum pump according to the first aspect, the second adjusting means moves the pump rotor to the center position of the bearing after a predetermined stop time has elapsed since the angle adjustment by the first adjusting means has started. It is characterized by returning to.
The invention of
本発明によれば、真空ポンプの回転始動性の向上を図ることができる。 According to the present invention, it is possible to improve the rotational startability of the vacuum pump.
以下、図を参照して本発明を実施するための実施の形態について説明する。図1は、本発明による真空ポンプの一実施の形態を示す図であり、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とから構成されている。図1に示す例では、ポンプ本体1と電源装置2とをケーブルで接続するような構成としているが、ポンプ本体1と電源装置2とを一体で構成する場合もある。
Embodiments for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a vacuum pump according to the present invention, and is a block diagram showing a schematic configuration of a turbo molecular pump. The turbo molecular pump includes a
ポンプ本体1には、回転翼が形成されたロータ4が設けられており、ロータ4は磁気軸受3により非接触支持されるとともにモータ6により回転駆動される。モータ6には3相DCブラシレスモータが用いられている。一方、電源装置2には、モータ6を駆動するモータ制御部7と、ロータ4が所定浮上位置に支持されるように磁気軸受3に供給される励磁電流を制御する軸受制御部8とを備えている。さらに、モータ制御部7および軸受制御部8は主制御部9によって制御されている。
The
図2は、磁気軸受3に設けられた電磁石の配置を示す図であり、ロータ4の回転軸をz軸方向とした。磁気軸受3は5軸制御型磁気軸受を構成しており、ロータ4を挟んで対向配置された一対の電磁石37x、一対の電磁石37y、一対の電磁石38x、一対の電磁石38y、およびスラストディスク35を挟んで対向配置された一対の電磁石39zを有している。なお図示していないが、各一対の電磁石、すなわち各一軸方向の電磁石に対応して、ロータ4の変位を検出する変位センサがそれぞれ配置されている。図1の軸受制御部8は、変位センサの検出値に基づいてロータ4を所定位置に磁気浮上させる。
FIG. 2 is a diagram showing the arrangement of electromagnets provided in the
図3は、電源装置2に設けられたモータ制御部7を説明するブロック図である。モータ制御部7には、外部電源(商用電源)100からの交流を直流に変換するAC/DCコンバータ回路73が設けられている。インバータ回路72は、トランジスタ等のスイッチング素子Tr1〜Tr6を備え、AC/DCコンバータ73からの直流電圧をスイッチング素子Tr1〜Tr6でオンオフスイッチングしてモータ6の固定子巻線61に印加する。インバータ回路72のスイッチング素子Tr1〜Tr6のオンオフ駆動は、制御回路70のドライバ回路704によって行われる。
FIG. 3 is a block diagram illustrating the
逆起検出回路71は、W相巻線に誘起される逆起電圧を検出するものである。永久磁石が設けられたモータロータ62が回転すると、固定子巻線61のU相巻線,V相巻線およびW相巻線に逆起電圧が誘起される。逆起検出回路71はコンパレータを備えており、入力されたW相の逆起電圧(W相端子電圧)と中性点の電圧との差分を求め、その差分がゼロとなる点(ゼロクロス点)を検出する。逆起検出回路71は、そのゼロクロス点に基づいて、所定レベルの逆起電圧パルスを出力する。なお、W相以外の逆起電圧を用いても良いし、2相以上の逆起電圧に基づいて逆起電圧パルスを生成しても良い。
The back electromotive force detection circuit 71 detects a back electromotive voltage induced in the W-phase winding. When the
逆起検出回路71から出力された逆起電圧パルスは、制御回路70の回転数検出部702に入力される。制御回路70はマイコンで構成され、回転数検出部702、駆動波形生成部703、ドライバ回路704、メモリ705等を備えている。回転数検出部702は、逆起検出回路71から入力された検出信号に基づいて、モータロータ62の回転に同期した回転パルスを出力する。回転パルスは、駆動波形生成部703に入力される。駆動波形生成部703は、インバータ回路72のスイッチング素子Tr1〜Tr6を駆動するための駆動波形を生成して、それをドライバ回路704に出力する。ドライバ回路704は、駆動波形生成部703からの信号に基づいて、インバータ回路72のスイッチング素子Tr1〜Tr6のオンオフ駆動を行う。
The counter electromotive voltage pulse output from the counter electromotive detection circuit 71 is input to the rotational
上述したように、本実施の形態では逆起電圧パルスを利用してロータ4の回転を検出しているので、回転始動時のロータ回転位置を知ることができない。これは、特許文献2に記載のような回転センサを利用した真空ポンプにおいても同様であり、このような構成のポンプにおいては非同期で回転磁界を発生させて始動させているために、上記課題の項で記載したように始動性に劣っていた。
As described above, in the present embodiment, since the rotation of the
そこで、本実施の形態では、以下に説明するような方法で回転始動を行うことで、始動時の逆転を防止し始動性に優れた真空ポンプを提供するようにした。図4は、本実施の形態における回転始動動作の一例を説明するフローチャートである。図4の処理は、電源装置2の電源がオン状態になるとスタートするプログラムにより、主制御部9において実行される。
Therefore, in the present embodiment, the rotation start is performed by the method described below, thereby providing a vacuum pump that prevents reverse rotation at the start and has excellent startability. FIG. 4 is a flowchart for explaining an example of the rotation start operation in the present embodiment. The processing in FIG. 4 is executed in the
ステップS101では、軸受制御部8に磁気浮上指令を出力してロータを磁気軸受の中央位置に磁気浮上させる。ステップS102では、電源装置2に対してポンプ運転開始の指令(回転指令)が入力されたか否かを判定する。この回転指令は、例えば、ポンプが装着されている装置のコントローラから入力されたり、オペレータが電源装置2に設けられたポンプスタートスイッチをオン操作することにより、電源装置2の主制御部9に入力される。
In step S101, a magnetic levitation command is output to the
回転指令が入力されるとステップS102でyesと判定され、ステップS103へ進む。ステップS103では、図2に示すロータ4(モータロータ62)を図5に示すように偏心させる。なお、図2に示した一対の電磁石37xは、図5では37x+、37x−のように記載した。その他の電磁石37y,38x,38yについても同様な表示とした。
If a rotation command is inputted, it will be judged as yes at Step S102, and will progress to Step S103. In step S103, the rotor 4 (motor rotor 62) shown in FIG. 2 is eccentric as shown in FIG. Note that the pair of
図5は、モータステータ61のU〜W相,U’〜W ’相のステータコイルと、永久磁石が設けられたモータロータ62と、ラジアル磁気軸受を構成する電磁石37x,37y,38x,38yとを模式的に示したものである。図5に示す例では、V,V’相のステータコイルがx軸方向に配置されるように、U〜W相,U’〜W ’相のステータコイルが配置されている。
FIG. 5 shows a U-W phase, U′-W′-phase stator coil of the
通常の磁気浮上(ステップS101における磁気浮上)では、電磁石37x+,電磁石37x−、電磁石37y+,電磁石37y−、電磁石38x+,電磁石38x−、電磁石38y+,電磁石38y−の吸引力は等しく制御され、モータロータ62の中心位置に保持されている。ステップS103では、電磁石37y−、38y−の吸引力を電磁石37y+、38y+の吸引力よりも大きくして、モータロータ62(ロータ4)をステータ61の図示下側に偏らせる。図2に示すロータ4は、平行移動するようにy軸方向に偏心する。
In normal magnetic levitation (magnetic levitation in step S101), the attractive force of the
次いで、ステップS104では、図2においてU→Vのように電流が流れるようにスイッチング素子Tr1,Tr6でオン制御する。そのようなモータ電流を流すと、図6(a)に示すように、U相とW’相との間がN極方向で、W相とU’相との間がN極方向となるような磁界が形成される。通常、モータを回転させる場合には回転磁界が形成されるようにスイッチング素子Tr1〜Tr6でオンオフ制御するが、ステップS104においては、図6(a)に示すようにモータロータ62の偏心方向がS極またはN極となるような磁界(固定磁界)が形成されるように制御する。
Next, in step S104, the switching elements Tr1 and Tr6 are turned on so that a current flows as U → V in FIG. When such a motor current is passed, as shown in FIG. 6A, the N-pole direction is between the U phase and the W ′ phase, and the N-pole direction is between the W phase and the U ′ phase. A strong magnetic field is formed. Normally, when the motor is rotated, on / off control is performed by the switching elements Tr1 to Tr6 so that a rotating magnetic field is formed. In step S104, the eccentric direction of the
なお、固定磁界のN極の方向は図6(a)に示す場合も含めて6方向(60deg間隔で)が可能であり、NSが逆転した磁界も含めると12通りの固定磁界が可能である。そして、ステップS103でロータを偏心させる場合、上記6方向のいずれかの方向に偏心させ、ステップS104では、その偏心方向がS極またはN極となるような固定磁界を形成する。図5,図6(a)はその一例を示したものである。 The direction of the N pole of the fixed magnetic field can be 6 directions (at intervals of 60 degrees) including the case shown in FIG. 6A, and 12 types of fixed magnetic fields are possible if the magnetic field with NS reversed is also included. . When the rotor is decentered in step S103, the rotor is decentered in any of the above six directions, and in step S104, a fixed magnetic field is formed such that the decentering direction is the S pole or the N pole. FIG. 5 and FIG. 6 (a) show an example.
永久磁石のS極、N極の配置が図6(a)に示すような配置でモータロータ62が停止していた場合、図6(a)のような固定磁界を形成すると、モータロータ62は右回りに回転する。そして、図6(b)のように永久磁石のN極が固定磁界のS極を通り過ぎると逆方向のトルクが作用し、モータロータ62は左回りに回転する。モータロータ62のこのような回転振動は次第に小さくなり、ある程度の時間が経過すると図6(c)に示すような状態で停止する。この停止に要する時間はロータ4の重量やモータステータ62側の吸引力等に依存する。本実施の形態では、モータロータ62の回転振動がモータ始動に影響を与えない程度まで小さくなる時間を予め実測しておき、その停止時間をメモリ705に記憶させておく。
When the arrangement of the S poles and N poles of the permanent magnet is as shown in FIG. 6A and the
ステップS105では、固定磁界を発生させてから所定の停止時間(上記の、メモリ705に記憶されている停止時間)が経過したかを判定する。ステップS105において所定停止時間が経過したと判定されると、ステップS106へ進み、磁気軸受3の制御を通常の制御に戻し、図7(a)に示すようにロータ4を磁気軸受3の中央に磁気浮上させる。その後、ステップS107に進んでモータ6の回転駆動を開始し、ステップS108の通常の運転モードに移行する。
In step S105, it is determined whether a predetermined stop time (the above-described stop time stored in the memory 705) has elapsed since the fixed magnetic field was generated. If it is determined in step S105 that the predetermined stop time has elapsed, the process proceeds to step S106, the control of the
上述したように、本実施の形態では、固定磁界を形成してモータロータ62を所定回転位置に位置決めし、その状態から回転磁界を形成して回転始動するようにしている。その際に、磁気軸受3を利用してモータロータ62を偏心させているので、位置決めの際に生じる回転振動の停止時間を、偏心させない場合に比べて短縮することができる。
As described above, in the present embodiment, a fixed magnetic field is formed to position the
なお、図4に示す動作例では、モータロータ62を偏心させてから固定磁界を形成するようにしたが、逆に、固定磁界を形成してからモータロータ62を偏心させても良いし、それらを同時に行なうようにしても良い。例えば、モータロータ62が停止していないで若干回転しているような状態から回転始動を行うような場合、固定磁界を先に形成することでその回転が抑制されるので、モータロータ62を偏心への回転の影響を低減できる。
In the operation example shown in FIG. 4, the fixed magnetic field is formed after the
図8は、モータロータ62とモータステータ61との間に働く力の説明する図である。図8(a)はモータロータ62を偏心させた場合、図8(b)は偏心させない場合を示す。モータロータ62とモータステータ61との間に働く概略の力Fは、次式(1)で算出することができる。式(1)において、Q1、Q2は相対する磁極が発生する磁極の強さであり、rは磁極間の距離である。
F=Q1・Q2/r2 …(1)
FIG. 8 is a diagram illustrating the force acting between the
F = Q1 · Q2 / r 2 (1)
例えば、磁極間の距離が150μmで、モータロータ62の通常浮上位置から径方向移動可能距離が100μmであった場合を考える。このとき、モータロータ62を移動可能な最大値100μmだけ偏心させると、図8(a)に示すように、磁極間の距離が縮まった図示下側の磁極の強さは、中央位置に浮上している場合の磁極の強さの9倍になる。一方、磁極間の距離が大きくなった図示上側の磁極の強さは、0.36倍と小さくなる。その結果、偏心させた場合のトータルの磁極の強さは4.68倍となる。このように磁極の力が強くなった分だけ、回転振動の減衰は顕著となり、速やかに図6(c)の状態で停止する。
For example, a case is considered where the distance between the magnetic poles is 150 μm and the distance in which the
このように、モータロータ62が予め決めた所定の回転位置(図6(a)に示す位置)に速やかに停止するので、短い時間でモータロータ62を図7(a)のように浮上位置を中央位置に戻すことができる。そのため、図7(b)に示すように回転磁界を形成することで、確実に所望の回転方向にモータロータ62を回転開始させることができる。
Thus, since the
一方、図8(b)に示すように、モータロータ62を偏心しないで固定磁界を形成した場合、偏心させた場合に比べて磁極の力が小さいため、回転振動が小さくなるまでより長に時間を要することになる。回転振動が納まる前に回転駆動を始めると、回転振動のタイミングによっては逆回転してしまう場合が生じる。特に、ターボ分子ポンプのような分子ポンプの場合、ロータ重量が比較的大きいため、回転振動が納まるまでの時間が長くなりやすい。そのため、本実施のように偏心させることは非常に効果的である。
On the other hand, as shown in FIG. 8B, when the fixed magnetic field is formed without decentering the
なお、磁気軸受式ターボ分子ポンプの場合、磁気軸受停止時にロータ4を支持するメカニカルベアリングが設けられており、一般的に、ロータ4はメカニカルベアリングに接触するまで偏心させることができる。しかし、ロータ4が回転した状態で接触すると回転翼がステータ側と接触するなど不都合が生じるおそれがあるので、ロータ4がメカニカルベアリングに接触しない程度に偏心させるのが好ましい。
In the case of a magnetic bearing type turbo molecular pump, a mechanical bearing is provided to support the
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、磁気軸受式ターボ分子ポンプに限らず、本発明を磁気軸受をロータ浮上に使用した真空ポンプにも適用することができる。また、逆起電圧を用いてロータ回転速度を検出する真空ポンプに限らず、例えば、インダクタンス式の回転センサにより回転速度を検出する方式の真空ポンプにも適用することができ、コストアップ要因となるロータ回転位置を検出センサを備えることなく、回転始動性の向上を図ることができる。 In the embodiment described above, the magnetic bearing type turbo molecular pump has been described as an example. However, the present invention can be applied not only to the magnetic bearing type turbo molecular pump but also to a vacuum pump using the magnetic bearing for floating the rotor. Further, the present invention is not limited to the vacuum pump that detects the rotor rotational speed using the back electromotive voltage, but can be applied to, for example, a vacuum pump that detects the rotational speed using an inductance type rotational sensor, which causes a cost increase. The rotation startability can be improved without providing a sensor for detecting the rotor rotational position.
上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。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。 Each of the embodiments described above may be used alone or in combination. This is because the effects of the respective embodiments can be achieved independently or synergistically. In addition, the present invention is not limited to the above embodiment as long as the characteristics of the present invention are not impaired.
1:ポンプ本体、2:電源装置、3:磁気軸受、4:ロータ、6:モータ、7:モータ制御部、8:軸受制御部、9:主制御部、37x、37y、38x、38y、39z:電磁石、61:モータステータ、62:モータロータ、70:制御回路、705:メモリ 1: pump body, 2: power supply device, 3: magnetic bearing, 4: rotor, 6: motor, 7: motor control unit, 8: bearing control unit, 9: main control unit, 37x, 37y, 38x, 38y, 39z : Electromagnet, 61: Motor stator, 62: Motor rotor, 70: Control circuit, 705: Memory
Claims (3)
前記磁気軸受の励磁電流を制御して前記ポンプロータの浮上位置を制御する磁気軸受制御部と、
前記ポンプロータに固定され、永久磁石を有するモータロータと、
前記モータロータを回転駆動するモータステータと、
前記磁気軸受により前記ポンプロータを軸受中心位置から所定径方向に偏心させ、かつ、前記モータステータにより前記所定径方向を向いた固定磁界を発生させて、前記ポンプロータの回転方向の角度を調整する第1の調整手段と、
前記第1の調整手段により回転方向の角度が調整されたポンプロータを、前記所定径方向に偏心した状態から前記軸受中心位置に戻す第2の調整手段と、
前記第2の調整手段により前記軸受中心位置に戻された前記ポンプロータを回転させるための回転磁界を前記モータステータにより発生させるモータ制御部と、を備えたことを特徴とする真空ポンプ。 A magnetic bearing for magnetically levitating the pump rotor;
A magnetic bearing control unit for controlling an exciting current of the magnetic bearing to control a floating position of the pump rotor;
A motor rotor fixed to the pump rotor and having a permanent magnet;
A motor stator for rotationally driving the motor rotor;
The pump rotor is decentered in a predetermined radial direction from the center position of the bearing by the magnetic bearing, and a fixed magnetic field facing the predetermined radial direction is generated by the motor stator, thereby adjusting an angle of the rotation direction of the pump rotor. First adjusting means;
Second adjusting means for returning the pump rotor whose angle in the rotational direction is adjusted by the first adjusting means to the center position of the bearing from a state eccentric in the predetermined radial direction;
A vacuum pump comprising: a motor control unit that generates, by the motor stator, a rotating magnetic field for rotating the pump rotor returned to the bearing center position by the second adjusting means.
前記第2の調整手段は、前記第1の調整手段による角度調整が開始されてから所定停止時間経過した後に、前記ポンプロータを前記軸受中心位置に戻すことを特徴とする真空ポンプ。 The vacuum pump according to claim 1, wherein
The vacuum pump characterized in that the second adjustment means returns the pump rotor to the bearing center position after a predetermined stop time has elapsed since the angle adjustment by the first adjustment means was started.
前記磁気軸受により前記ポンプロータを軸受中心位置から所定径方向に偏心させる工程と、
前記モータのモータステータにより前記所定径方向を向いた固定磁界を発生させる工程と、
所定時間経過後に前記ポンプロータを軸受中心位置に戻す工程と、
前記ポンプロータを前記モータにより回転駆動する工程と、を有する真空ポンプの回転始動方法。 A vacuum pump rotation starting method in which a pump rotor is magnetically levitated by a magnetic bearing and rotated by a motor,
Decentering the pump rotor in a predetermined radial direction from a bearing center position by the magnetic bearing;
Generating a fixed magnetic field directed in the predetermined radial direction by a motor stator of the motor;
Returning the pump rotor to a bearing center position after a predetermined time;
And a step of rotating the pump rotor by the motor.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20140603 |