JP2016145555A - Turbo-molecular pump device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ターボ分子ポンプ装置に関する。 The present invention relates to a turbo molecular pump device.
ターボ分子ポンプ装置は、回転翼を備えたロータと回転軸(シャフト)とから構成される回転体と、回転翼と協働する固定翼と、回転体を回転駆動するモータとを備えている。回転体は、5軸磁気軸受を構成する電磁石によって非接触支持される。磁気軸受によって回転自在に磁気浮上された回転体は、モータにより高速回転駆動され、回転翼を固定翼に対して高速回転させることにより気体分子を排気するもので、各種の真空処理装置に接続されて使用される。 The turbo-molecular pump device includes a rotating body including a rotor including rotating blades and a rotating shaft (shaft), a fixed blade that cooperates with the rotating blades, and a motor that rotationally drives the rotating body. The rotating body is supported in a non-contact manner by an electromagnet constituting a 5-axis magnetic bearing. A rotating body magnetically levitated freely by a magnetic bearing is driven to rotate at high speed by a motor and exhausts gas molecules by rotating the rotor blade at high speed with respect to the fixed blade, and is connected to various vacuum processing devices. Used.
この種のターボ分子ポンプ装置として、ターボ分子ポンプ本体と、ターボ分子ポンプ本体を駆動する電源装置と、ターボ分子ポンプ本体と電源装置との間に介装される水冷装置とを有するものがある。電源装置の筐体内に設けられる部品は、強冷却が要求される要強冷却部品と、中程度の冷却が要求される要中冷却部品と、殆ど冷却が要求されない冷却不要部品とに分類され、要強冷却部品は、水冷装置に接触する第1高伝熱性基板上に実装され、要中冷却部品は、筐体の内面に接触する第2高伝熱性基板上に実装され、冷却不要部品は、第1高伝熱性基板と第2高伝熱性基板の間の空間に配置される基板に実装される(特許文献1参照)。 As this kind of turbo molecular pump device, there is one having a turbo molecular pump main body, a power supply device for driving the turbo molecular pump main body, and a water cooling device interposed between the turbo molecular pump main body and the power supply device. The components provided in the housing of the power supply device are classified into a strong cooling component that requires strong cooling, a medium cooling component that requires medium cooling, and a cooling unnecessary component that hardly requires cooling. The strong cooling component is mounted on the first highly heat conductive substrate that contacts the water cooling device, the middle cooling component is mounted on the second highly heat conductive substrate that contacts the inner surface of the housing, and the cooling unnecessary component is And mounted on a substrate disposed in a space between the first high heat transfer substrate and the second high heat transfer substrate (see Patent Document 1).
上述した特許文献1に記載のターボ分子ポンプ装置では、磁気軸受に励磁電流を供給する励磁アンプの実装について冷却のための最適な位置が考慮されていない。そのため、例えば、ターボ分子ポンプ装置を水平に設置した場合に、回転体の重心に近い磁気軸受に負荷がかかり、当該磁気軸受を駆動する励磁アンプが過熱する虞がある。 In the turbo molecular pump device described in Patent Document 1 described above, the optimal position for cooling is not taken into account for mounting the excitation amplifier that supplies the excitation current to the magnetic bearing. For this reason, for example, when the turbo molecular pump device is installed horizontally, a load is applied to the magnetic bearing near the center of gravity of the rotating body, and the excitation amplifier that drives the magnetic bearing may be overheated.
本発明の好ましい実施形態によるターボ分子ポンプ装置は、回転翼が形成されたロータおよび該ロータに固定されたシャフトを有する回転体と、固定翼と、シャフトを非接触支持する複数の磁気軸受と、複数の磁気軸受を制御する複数の励磁アンプを有する電源装置と、電源装置を冷却する冷却装置と、を備え、回転体の重心に近い位置に設けられた磁気軸受を制御する励磁アンプは、他の磁気軸受を制御する励磁アンプの位置と比較して、冷却装置による冷却効果が高い位置に実装される、ターボ分子ポンプ装置。 A turbo-molecular pump device according to a preferred embodiment of the present invention includes a rotor having a rotor blade and a rotating body having a shaft fixed to the rotor, a fixed blade, and a plurality of magnetic bearings that support the shaft in a non-contact manner. An excitation amplifier that includes a power supply device having a plurality of excitation amplifiers that control a plurality of magnetic bearings and a cooling device that cools the power supply device, and that controls a magnetic bearing provided at a position close to the center of gravity of the rotating body. The turbo molecular pump device is mounted at a position where the cooling effect by the cooling device is higher than the position of the excitation amplifier that controls the magnetic bearing of the motor.
本発明によれば、磁気軸受を駆動する励磁アンプを効果的に冷却することができる。 According to the present invention, an excitation amplifier that drives a magnetic bearing can be effectively cooled.
(第1の実施形態)
以下、図を参照して本発明の第1の実施形態について説明する。図1は本実施形態のターボ分子ポンプ装置1の概略構成を示す図である。ターボ分子ポンプ装置1は磁気軸受式のターボ分子ポンプであり、図1に示すようにポンプ本体20と冷却装置70と電源装置80とがボルト固定されている。なお、図1ではポンプ本体20のみを断面図で表した。
(First embodiment)
The first embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a turbo molecular pump device 1 of the present embodiment. The turbo molecular pump device 1 is a magnetic bearing type turbo molecular pump, and a
先ず、ポンプ本体20について説明する。ロータ2が取り付けられたシャフト3は、ポンプベース4に設けられた磁気軸受50,51,52によって非接触支持されている。シャフト3の浮上位置は、ポンプベース4に設けられたラジアル変位センサ61およびアキシャル変位センサ62によって検出される。シャフト3の上部の磁気軸受50とシャフト3の下部の磁気軸受51はラジアル磁気軸受を構成し、磁気軸受52はアキシャル磁気軸受を構成する。磁気軸受50,51,52による5軸制御型磁気軸受である。なお、磁気軸受50,51,52が作動していない状態では、シャフト3はメカニカルベアリング27,28によって支持される。
First, the
シャフト3の下端には円形のロータディスク41が設けられており、磁気軸受52は、このロータディスク41を上下に挟むように電磁石が設けられ、この電磁石によりロータディスク41を吸引することによりシャフト3がアキシャル方向に浮上する。ロータディスク41はナット部材42によりシャフト3の下端部に固定されている。ポンプベース4の底面には裏蓋43がボルト固定されている。裏蓋43とポンプベース4との隙間はOリングにより密封されている。裏蓋43には電源装置80から冷却装置70を貫通して挿通されたケーブルのコネクタ(図示省略)が設けられ、電源装置80と電気的に接続される。
A
ロータ2には、回転軸方向に複数段の回転翼8が形成されている。上下に並んだ回転翼8の間には固定翼9がそれぞれ配設されている。これらの回転翼8と固定翼9とにより、ポンプ本体20のタービン翼段が構成される。各固定翼9は、スペーサ10によって上下に挟持されるように保持されている。スペーサ10は、固定翼9を保持する機能とともに、固定翼9間のギャップを所定間隔に維持する機能を有している。
The
さらに、固定翼9の後段(図示下方)にはドラッグポンプ段を構成するネジステータ11が設けられており、ネジステータ11の内周面とロータ2の円筒部12との間にはギャップが形成されている。ロータ2と、スペーサ10によって保持された固定翼9とは、吸気口13aが形成されたポンプケーシング13内に納められている。回転翼8を有するロータ2が取り付けられたシャフト3は一体に形成されて回転体を成し、シャフト3を磁気軸受50,51,52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、回転体が回転されて吸気口13a側のガスは背圧側に排気され、背圧側に排気されたガスは排気口26に接続された補助ポンプにより排出される。ロータ2(回転体)の回転数は回転数センサ19により検出される。ここで、回転翼8、ロータ2、シャフト3からなる回転体の重心αを図1に示す。図示のように、シャフト3が鉛直方向になるようにターボ分子ポンプ装置1を垂直に設置した場合は、重心αはラジアル磁気軸受50,51のうち、シャフト3上部のラジアル磁気軸受50の近くに存在する。一方、シャフト3が水平方向になるようにターボ分子ポンプ装置1を水平に設置した場合には、回転体の重心αに近い磁気軸受50により多くの負荷がかかることになる。
Further, a
ポンプ本体20を構成するポンプベース4の下部には、冷却装置70が複数のボルト40により固定されている。冷却装置70は、ポンプ本体20と電源装置80との間に介装され、電源装置80内の発熱部材、例えばモータ駆動制御部を構成する電子部品等を冷却する。冷却装置70は、内部に冷却水通路が形成されており、冷却水通路に図示しないポンプから冷却水を循環するための冷却水入口70aおよび冷却水出口70bとを有する。
A
ポンプ本体20を構成するポンプベース4の下部には、電源装置80が冷却装置70を介して複数のボルト44により固定されている。冷却装置70の下面は電源装置80の筐体81の上端面に当接している。冷却装置70の下面は、アルミ材等の熱伝導性に優れた材料が用いられる。筐体81は、冷却装置70の下面に当接され、熱伝導性に優れた金属製である。ポンプ本体20を駆動制御する電源装置80には、モータ駆動制御部、磁気軸受駆動制御部、主制御部等を構成する電子部品が設けられており、それらの電子部品は筐体81内に収納されている。そして、筐体81は、塵等が外部から入り込めない密閉構造となっている。
A
図2を参照して電源装置80の回路構成を示すブロック図を説明する。電源装置80には一次電源82から交流電力が供給され、AC/DCコンバータ83に入力される。入力される交流電力の電圧は電圧センサ84によって検出される。AC/DCコンバータ83は、一次電源82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83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85とDC/DCコンバータ86に入力される。DC/DCコンバータ86に入力される直流電力の電圧は、電圧センサ87によって検出される。DC/DCコンバータ86の出力は、3相インバータ85をPWM制御等で制御するインバータ制御回路88、および磁気軸受50,51,52による磁気浮上の制御を行う磁気軸受制御部89のそれぞれに入力される。
A block diagram showing a circuit configuration of the
磁気軸受制御部89は、軸受制御を行う制御部90と、制御部90で算出された制御信号に基づいて励磁電流を磁気軸受50,51,52の電磁石に供給する励磁アンプ91とを備えている。なお、磁気軸受50,51はラジアル磁気軸受であり、夫々ラジアルX軸、Y軸を支持する。このため、励磁アンプ91は、磁気軸受50に対応して2個、磁気軸受51に対応して2個設けられている。さらに、磁気軸受52はアキシャル磁気軸受であり、Z軸を支持するため、励磁アンプ91は1個である。すなわち、5軸制御型磁気軸受では励磁アンプ91を5個有する。
The magnetic
インバータ制御回路88には回転数センサ19により検出されたロータ2の回転数が入力され、インバータ制御回路88は、ロータ回転数に基づいて3相インバータ85を制御する。また、回生余剰電力消費用の回生ブレーキ抵抗(シーズヒータ)92は、ロータ減速時の回生電力をこの回生ブレーキ抵抗92で消費する。トランジスタ制御回路93によりトランジスタ94のオンオフを制御することにより、回生ブレーキ抵抗92に流れる電流のオンオフを制御する。ダイオード95は、回生時の電力逆流を防止する。
The rotation speed of the
図3は電源装置80の筐体81内の基板や電子部品の具体的な配置を示す縦断面図である。図3に示すように、各種部品が複数の基板100〜102に分けて配設されている。本実施形態では、これらの部品を発熱量や高温に対する耐性に応じて要強冷却部品、要中冷却部品、冷却不要部品に分類し、それらをそれぞれ基板100〜102に実装している。
FIG. 3 is a longitudinal sectional view showing a specific arrangement of substrates and electronic components in the
基板100は、要強冷却部品を実装するもので、冷却装置70の直下に配置される。要強冷却部品が実装される基板100は、高伝熱性基板であり、その実装面には絶縁膜が施され、その上に部品や配線パターンが配置される。この基板100は、その裏面(部品実装面と反対側の面)が冷却装置70の下面にほぼ全面接触するよう固定される。したがって、冷却装置70により、高伝熱性の基板100を介して要強冷却部品を強力に冷却することができる。また、特に強冷却が要求される部品に対しては、その部品と基板100の実装面との間に熱伝導性のコンパウンドを介装し、冷却効率を更に高めている。要強冷却部品は、強い冷却が要求される部品で、例えば図3に示すように、回生ブレーキ抵抗92、3相インバータ85や電力用コイル・トランス、大型の電解コンデンサなどを含む。
The
基板101は、高伝熱性基板であり、その実装面には絶縁膜が施され、その上に部品や配線パターンが実装される。この基板101は、その裏面(部品実装面と反対側の面)が電源装置80の筐体81の底面にほぼ全面接触するよう固定される。また、電源装置80の筐体81の上部は冷却装置70に当接されている。したがって、要中冷却部品から発した熱は、高伝熱性の基板101および電源装置80の筐体81を介して冷却装置70や外部空気に効率よく逃がされる。上述した要強冷却部品と比べて絶対的な冷却効率は劣るものの、要中冷却部品としては十分な冷却が図れる。
The
要中冷却部品は、冷却は要求されるが、要強冷却部品のような強冷却は要求されない部品で、例えば図3に示すように、磁気軸受50に対応してラジアルX軸、Y軸を夫々制御する励磁アンプ91a,91bが実装される。さらに、磁気軸受51に対応してラジアルX軸、Y軸を夫々制御する励磁アンプ91c,91dが実装され、磁気軸受52に対応してアキシャルZ軸を制御する励磁アンプ91eが実装され、その他、消費電力がある程度以上の電子回路部品が実装される。また、冷却装置70の下面に立設された高伝熱性の板金103が、励磁アンプ91a,91bに当接している。これにより、冷却装置70の冷温状態が板金103を介して励磁アンプ91a,91bに伝達されてより効果的に励磁アンプ91a,91bを冷却することができる。ところで、ターボ分子ポンプ装置1の設置姿勢を垂直から水平に変更した場合、重心αに近い磁気軸受50の負荷増加は他の磁気軸受51,52に比べて大きい。そのため、磁気軸受50に関する励磁アンプ91a,91bの発熱が大きくなる。本実施の形態では、励磁アンプ91a,91bに高伝熱性の板金103を当接させて、冷却装置70の下面に熱を逃がして他の励磁アンプ91c,91d,91eよりも冷却性能を大きくしているので、発熱の大きな励磁アンプ91a,91bを効果的に冷却することができる。なお、板金103は、励磁アンプ91a,91bに当接している例で説明したが、励磁アンプ91c,91d,91eにも当接するように設けてもよく、少なくとも励磁アンプ91a,91bに当接していればよい。また、高伝熱性の板金103は、冷却装置70の下面に立設した例で説明したが、板金103を筐体81に立設して、励磁アンプ91a,91bに当接するようにしてもよい。この場合も、筐体81の冷温状態が板金103を介して励磁アンプ91a,91bに伝達されてより効果的に励磁アンプ91a,91bを冷却することができる。
The required cooling component is a component that requires cooling but does not require strong cooling, such as a strong cooling component. For example, as shown in FIG. 3, the radial X axis and the Y axis are set in correspondence with the
基板102は、冷却不要部品を実装するもので、例えばガラスエポキシまたはフェノール製とされる。この基板102は、両高伝熱性基板100,101の間の空間に、両高伝熱性基板100,101から離して配置される。例えば図3に示すように、スタッドボルトなどの支持部材104により基板102を高伝熱性基板100に支持することができる。基板102は高伝熱性基板ではなく、また位置的にも冷却不要部品の放熱は殆ど望めないが、冷却不要部品であるため何ら問題はない。なお、冷却不要部品は、周囲の部材との間で温度勾配があれば、輻射または局所的対流により伝熱され、冷却される。冷却不要部品は、冷却が殆ど要求されない消費電力の小さいトランジスタや、抵抗・コンデンサ、ICなどである。なお、筐体81内にファンを設けて筐体81内の空気を循環させてもよい。
The
(第2の実施形態)
以下、図を参照して本発明の第2の実施形態について説明する。図1に示したターボ分子ポンプ装置1の概略構成は本第2の実施形態でも同様であるのでその説明を省略する。さらに、図2に示した電源装置80の回路構成は本第2の実施形態でも同様であるのでその説明を省略する。
(Second Embodiment)
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Since the schematic configuration of the turbo molecular pump device 1 shown in FIG. 1 is the same in the second embodiment, the description thereof is omitted. Furthermore, since the circuit configuration of the
図4は電源装置80の筐体81内の基板や電子部品の具体的な配置を示す縦断面図である。図3と同一の部分には同一の符号を附してその説明を省略する。基板101は、図3で示したものと同様の高伝熱性基板であり、その上に要中冷却部品が実装される。例えば図4に示すように、磁気軸受50に対応してラジアルX軸、Y軸を夫々制御する励磁アンプ91a,91bが実装され、その他、消費電力がある程度以上の電子回路部品が実装される。一方、励磁アンプ91c,91d,91eは、その他の冷却不要部品と共に基板102に実装される。これは前述したように、ターボ分子ポンプ装置1を水平に設置した場合に、回転体の重心αに近い磁気軸受50に負荷がかかり、そのため励磁アンプ91a,91bの発熱が励磁アンプ91c,91d,91eに比較して大きくなるが、この発熱を冷却するためである。なお、筐体81内にファンを設けて筐体81内の空気を循環させてもよい。
FIG. 4 is a longitudinal sectional view showing a specific arrangement of substrates and electronic components in the
上記のように電源装置80の各部品を要強冷却部品、要中冷却部品、冷却不要部品に分類し、要強冷却部品は、冷却装置70への伝熱により冷却される第1空間に配置し、要中冷却部品は、筐体81の内面への伝熱により冷却される第2空間に配置し、冷却不要部品は、筐体81内で周囲部材への輻射または局所的対流による伝熱で冷却される第3空間に配置するようにした。したがって、冷却が要求される部品をその要求度に応じて効率よく冷却することができる。
As described above, each component of the
特に、本実施の形態では、ターボ分子ポンプ装置1の設置姿勢が水平とされた場合の励磁アンプ91a,91bの発熱増大を考慮し、励磁アンプ91a,91bの冷却を他の励磁アンプ91c,91d,91eよりも大きくして、励磁アンプ91a,91bの過大な温度上昇を防止している。
In particular, in the present embodiment, considering the increase in heat generation of the
また、上記実施形態の電源装置80においては、要強冷却部品と要中冷却部品とを高伝熱性基板に実装し、基板を冷却装置70や筐体81の内面に接触させて伝熱により冷却するようにした。したがって、予め部品が実装された基板を冷却装置70や筐体81の底面に接触して配設するだけでよく、組立性も向上する。
In the
以上説明した実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
(1)回転翼8が形成されたロータ2および該ロータ2に固定されたシャフト3を有する回転体と、固定翼9と、シャフト3を非接触支持する複数の磁気軸受50〜52と、複数の磁気軸受50〜52を制御する複数の励磁アンプ91a,91b,91c,91d,91eを有する電源装置80と、電源装置80を冷却する冷却装置70と、を備え、回転体の重心に近い位置に設けられた磁気軸受50を制御する励磁アンプ91a,91bは、他の磁気軸受を制御する励磁アンプ91c,91d,91eの位置と比較して、冷却装置70による冷却効果が高い位置に実装される。これにより、例えば、ターボ分子ポンプ装置1を水平に設置した場合に、回転体の重心に近い位置の磁気軸受50に負荷がかかり、当該磁気軸受50を駆動する励磁アンプ91a,91bが過熱するが、これを効果的に冷却することが可能になる。
According to the embodiment described above, the following operational effects can be obtained.
(1) A rotor having a
(2)ロータ2はシャフト3の一端側に固定され、複数の磁気軸受50〜52は、回転体の重心に近い位置のシャフト3の一端側を非接触支持する第1ラジアル磁気軸受50と、シャフト3の他端側を非接触支持する第2ラジアル磁気軸受51とを備え、第1ラジアル磁気軸受50を制御する励磁アンプ91a,91bは冷却装置70による冷却効果が他の励磁アンプ91c,91d,91eより高い位置に実装される。これにより、ターボ分子ポンプ装置1を水平に設置した場合に、第1ラジアル磁気軸受50に負荷がかかり、当該磁気軸受を制御する励磁アンプ91a,91bが過熱するが、これを効果的に冷却することが可能になる。
(2) The
(3)回転体の重心に近い位置に設けられた磁気軸受50を制御する励磁アンプ91a,91bには、高伝熱性の部材103を当接させる。これにより、励磁アンプ91a,91bを効果的に冷却することができる。
(3) The highly heat-
(変形例)
本発明は、以上説明した第1および第2の実施形態を次のように変形して実施することができる。
(1)冷却装置70は水冷を例に説明したが、ファンによって空気を循環して冷却する空冷であってもよい。空冷の場合は、要中冷却部品が実装される基板101上にあって、励磁アンプ91a,91bを空冷の風上側に実装する。さらに、水冷および空冷の両者を備えたものであってもよい。
(Modification)
The present invention can be implemented by modifying the first and second embodiments described above as follows.
(1) Although the
(2)ポンプ本体20に冷却装置70と電源装置80とが一体的に構成される例で説明したが、ポンプ本体20に対して冷却装置70と電源装置80とが別体に離れた位置に設けられたものであってもよい。また、ポンプ本体20および冷却装置70と電源装置80とが別体にされた場合においても、上述の場合と同様に、励磁アンプ91a,91bの冷却を他の励磁アンプ91c,91d,91eよりも大きくする。
(2) The example in which the
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の特徴を損なわない限り、本発明の技術思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。また、上述の実施形態と複数の変形例を組み合わせた構成としてもよい。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and other forms conceivable within the scope of the technical idea of the present invention are also included in the scope of the present invention as long as the characteristics of the present invention are not impaired. . Moreover, it is good also as a structure which combined the above-mentioned embodiment and a some modification.
1 ターボ分子ポンプ装置
20 ポンプ本体
70 冷却装置
80 電源装置
91a,91b 励磁アンプ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Turbo
Claims (3)
固定翼と、
前記シャフトを非接触支持する複数の磁気軸受と、
前記複数の磁気軸受を制御する複数の励磁アンプを有する電源装置と、
前記電源装置を冷却する冷却装置と、を備え、
前記回転体の重心に近い位置に設けられた前記磁気軸受を制御する励磁アンプは、他の磁気軸受を制御する励磁アンプの位置と比較して、前記冷却装置による冷却効果が高い位置に実装される、ターボ分子ポンプ装置。 A rotor having a rotor formed with rotor blades and a shaft fixed to the rotor;
Fixed wings,
A plurality of magnetic bearings for non-contact support of the shaft;
A power supply device having a plurality of excitation amplifiers for controlling the plurality of magnetic bearings;
A cooling device for cooling the power supply device,
The excitation amplifier that controls the magnetic bearing provided near the center of gravity of the rotating body is mounted at a position where the cooling effect by the cooling device is higher than the position of the excitation amplifier that controls other magnetic bearings. Turbo molecular pump device.
前記ロータは前記シャフトの一端側に固定され、
前記複数の磁気軸受は、前記回転体の重心に近い位置の前記シャフトの一端側を非接触支持する第1ラジアル磁気軸受と、前記シャフトの他端側を非接触支持する第2ラジアル磁気軸受とを備え、
前記第1ラジアル磁気軸受を制御する励磁アンプは前記冷却装置による冷却効果が他の励磁アンプより高い位置に実装される、ターボ分子ポンプ装置。 In the turbo-molecular pump device according to claim 1,
The rotor is fixed to one end of the shaft;
The plurality of magnetic bearings include a first radial magnetic bearing that non-contact supports one end of the shaft at a position close to the center of gravity of the rotating body, and a second radial magnetic bearing that non-contact supports the other end of the shaft. With
The turbo molecular pump device, wherein the excitation amplifier for controlling the first radial magnetic bearing is mounted at a position where the cooling effect of the cooling device is higher than that of other excitation amplifiers.
前記回転体の重心に近い位置に設けられた磁気軸受を制御する励磁アンプには、高伝熱性の部材を当接させる、ターボ分子ポンプ装置。 In the turbo-molecular pump device according to claim 1 or 2,
A turbo-molecular pump device in which a highly heat-conductive member is brought into contact with an excitation amplifier that controls a magnetic bearing provided at a position close to the center of gravity of the rotating body.
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