JP2017214874A

JP2017214874A - 真空ポンプ

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Publication number: JP2017214874A
Application number: JP2016108977A
Authority: JP
Inventors: 太貴西村; Taiki Nishimura; 清水　幸一; Koichi Shimizu; 幸一清水; 修芦田; Osamu Ashida
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2016-05-31
Filing date: 2016-05-31
Publication date: 2017-12-07
Anticipated expiration: 2036-05-31
Also published as: CN114483609A; CN107448399A; JP6658309B2; US20170346356A1; CN114483609B; US10404118B2

Abstract

【課題】モータロータに設けられた永久磁石の寿命向上を図ることができる真空ポンプの提供。【解決手段】モータロータ４ｂは、シャフト１０に固定されるヨーク４０と、ヨーク４０に保持される永久磁石４１とを備え、ヨーク４０には、シャフト１０と離間して設けられ、永久磁石４１を保持する保持部４０１と、保持部４０１の軸方向両端に設けられ、シャフト１０に嵌め合いにより接合している一対の嵌合部４００とが形成され、嵌合部４００の径方向厚さ寸法は、保持部４０１の径方向厚さ寸法よりも小さく設定されている。【選択図】図２

Description

本発明は、真空ポンプに関する。

ターボ分子ポンプ等の真空ポンプのロータを回転するモータとしては、例えば、特許文献１に記載されているようなＤＣブラシレスモータが知られている。永久磁石が設けられたモータロータは、回転翼が設けられたロータのシャフトに装着されている。モータロータは、シャフトに固定されたヨークと、ヨークに設けられた永久磁石とを備えている。一般的に、永久磁石の外周には、遠心力による永久磁石の膨張を抑えるＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）製の保護管が設けられている。

ターボ分子ポンプやドラッグポンプなどは、ロータを毎分数万回転という高速で回転させる。そのような高速回転に対応させるため、ロータには、軽量で引張強度が高い素材であるアルミニウム合金が一般的に用いられている。

加えて、ロータとシャフトを締まり嵌めによって締結する方法を用いる場合には、ロータよりもシャフトの線膨張係数が小さいと、ポンプ駆動による温度上昇によって嵌め合いが緩むおそれがあるので、シャフトもロータと同様のアルミニウム合金が用いられる。

特開２０１４−１７３４３１号公報

ところで、ポンプ駆動時には、ロータと気体分子との摩擦による発熱やモータの発熱により、シャフトの温度が上昇する。アルミニウム合金製のシャフトを使用した場合には、ヨークや永久磁石と比べて線膨張係数が大きいので、シャフトの熱膨張によりヨークに設けられた永久磁石に熱応力が発生する。その結果、ポンプ駆動時に、永久磁石が熱応力によって損傷するおそれがあった。

本発明の好ましい実施形態による真空ポンプは、ロータをモータで回転駆動して真空排気を行う真空ポンプであって、前記モータのモータロータは、前記ロータのシャフトに固定されるヨークと、前記ヨークに保持される永久磁石とを備え、前記ヨークには、前記シャフトと離間して設けられ、前記永久磁石を保持する保持部と、前記保持部の軸方向両端に設けられ、前記シャフトに嵌め合いにより接合している一対の嵌合部とが形成され、前記嵌合部の径方向厚さ寸法は、前記保持部の径方向厚さ寸法よりも小さく設定されている。
さらに好ましい実施形態では、前記嵌合部と前記シャフトとの嵌め合いが締まり嵌めである。
さらに好ましい実施形態では、前記嵌合部のシャフト対向面および前記シャフトの前記嵌合部に対向する面の、いずれか一方に凸部が形成され、前記凸部において前記ヨークと前記シャフトとが接合されている。
さらに好ましい実施形態では、前記嵌合部における接合領域の軸方向幅寸法は、前記ヨークの軸方向幅寸法の１０％以下に設定されている。
さらに好ましい実施形態では、前記嵌合部の径方向厚さ寸法は、前記ヨークの外径寸法の１０％以下に設定されている。

本発明によれば、モータロータに設けられた永久磁石の寿命向上を図ることができる。

図１は、ターボ分子ポンプの断面図である。図２は、モータロータの構成を示す断面図である。図３は、第１の変形例を示す図である。図４は、第２の変形例を示す図である。図５は、比較例を示す図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図１はターボ分子ポンプ１の断面図である。なお、ターボ分子ポンプ１には電力を供給する電源ユニットが接続されるが、図１では図示を省略した。

図１に示すターボ分子ポンプ１は、排気機能部として、タービン翼を備えたターボポンプ部Ｐ１と、螺旋型の溝を備えたHolweckポンプ部Ｐ２とを備えている。もちろん、本発
明は、排気機能部にターボポンプ部Ｐ１およびHolweckポンプ部Ｐ２を備えた真空ポンプ
に限らず、タービン翼のみを備えた真空ポンプや、ジーグバーンポンプやHolweckポンプ
などのドラッグポンプのみを備えた真空ポンプや、それらを組み合わせた真空ポンプにも適用することができる。

ターボポンプ部Ｐ１は、ポンプロータ３に形成された複数段の回転翼３０とベース２側に配置された複数段の固定翼２０とで構成される。一方、ターボポンプ部Ｐ１の排気下流側に設けられたHolweckポンプ部Ｐ２は、ポンプロータ３に形成された円筒部３１とベース２側に配置されたステータ２１とで構成されている。円筒状のステータ２１の内周面には螺旋溝が形成されている。複数段の回転翼３０と円筒部３１とが回転側排気機能部を構成し、複数段の固定翼２０とステータ２１とが固定側排気機能部を構成する。

ポンプロータ３はシャフト１０に締結されており、そのシャフト１０はモータ４により回転駆動される。モータ４には例えばＤＣブラシレスモータが用いられ、ベース２にモータステータ４ａが設けられ、シャフト１０側にはモータロータ４ｂが設けられている。シャフト１０とポンプロータ３とから成る回転体ユニットＲは、永久磁石６ａ，６ｂを用いた永久磁石磁気軸受６とボールベアリング８とにより回転自在に支持されている。

永久磁石６ａ，６ｂは、軸方向に磁化されたリング状の永久磁石である。ポンプロータ３に設けられた複数の永久磁石６ａは、同極同士が対向するように軸方向に複数配置されている。一方、固定側の複数の永久磁石６ｂは、ポンプケーシング１２に固定された磁石ホルダ１１に装着されている。これらの永久磁石６ｂも、同極同士が対向するように軸方向に複数配置されている。ポンプロータ３に設けられた永久磁石６ａの軸方向位置は、その内周側に配置された永久磁石６ｂの位置に対して上下にずれるように設定されている。その結果、回転体ユニットＲには、径方向の磁気力と軸方向の磁気力とが作用している。

磁石ホルダ１１の中央には、ボールベアリング９を保持するベアリングホルダ１３が固定されている。ボールベアリング８，９には、例えば深溝玉軸受が用いられる。ボールベアリング８にはグリースが封入されている。ボールベアリング９は、シャフト上部のラジアル方向の振れを制限するベアリングとして機能する。定常回転状態ではシャフト１０とボールベアリング９とが接触することはなく、大外乱が加わった場合や、回転の加速時または減速時にシャフト１０の振れ回りが大きくなった場合に、シャフト１０がボールベアリング９に接触する。

図２は、シャフト１０に設けられたモータロータ４ｂの構成を示す断面図である。モータロータ４ｂは、内周側からヨーク４０、永久磁石４１および保護管４２を備えている。ヨーク４０、永久磁石４１および保護管４２はいずれも円筒状に形成されており、ヨーク４０と永久磁石４１との固定には、接着剤が使用されている。ヨーク４０には鉄系の金属材料が用いられ、保護管４２には例えばＣＦＲＰが用いられる。

ヨーク４０とシャフト１０とは締まり嵌めにより接合されている。ヨーク４０は、永久磁石４１が保持される保持部４０１と、保持部４０１の軸方向両端に形成された嵌合部４００とを備えている。シャフト１０の外周面には、リング状の凸部１００が形成されている。嵌合部４００と凸部１００とが嵌め合いによって接合され、嵌合接合部Ａを構成している。本実施の形態では、嵌合部４００と凸部１００とは締まり嵌めにより嵌合している。嵌合接合部Ａを除く軸方向領域においては、ヨーク４０とシャフト１０との間には隙間が形成されている。なお、この隙間の径方向寸法は、例えば、すきま嵌め寸法程度とされる。

嵌合部４００の径方向厚さ寸法ｔ１は、保持部４０１の径方向厚さ寸法ｔ２よりも小さく設定されている。また、嵌合部４００の径方向厚さ寸法ｔ１は、保持部４０１の外径寸法Ｄの１０％以下に設定されている。また、嵌合接合部Ａの軸方向寸法、すなわち凸部１００の軸方向寸法Ｌａは、ヨーク４０の軸方向寸法Ｌｂの１０％以下に設定されている。

本実施の形態では、シャフト１０にアルミニウム合金が用いられているため、鉄系のヨーク４０に比べてシャフト１０の方が線膨張係数が大きい。そのため、シャフト１０が熱膨張した際の永久磁石４１に発生する熱応力を低減させるために、ヨーク４０の軸方向両端に形成された嵌合部４００をシャフト１０に対して締まり嵌めで接合させ、永久磁石４１が保持される保持部４０１の部分においてはヨーク４０とシャフト１０との間に隙間が形成されるようにした。

図５は、従来のモータロータ４ｂの一例を示す図である。ヨーク４０Ｂは、その内周面の全面がシャフト１０に嵌合接合されている。シャフト１０の方がヨーク４０Ｂや永久磁石４１よりも線膨張係数が大きい場合、温度上昇によりシャフト１０が矢印Ｂのように膨張すると、熱膨張による歪みがヨーク４０Ｂを介して永久磁石４１に伝達されることになる。その結果、永久磁石４１の破損を招くおそれがあった。

一方、本実施の形態では、保持部４０１とシャフト１０との間に隙間が形成されているので、熱膨張によるシャフト１０の変形が直接的に保持部４０１に伝達されることはない。シャフト１０に熱膨張が発生すると、嵌合部４００と保持部４０１との境界付近が撓むことにより、保持部４０１の径方向外側への変形（歪み）を低減することができる。その結果、熱膨張によるシャフト１０の変形の永久磁石４１への影響を低減することができ、永久磁石４１の寿命向上を図ることができる。

なお、後述する第２の変形例（図４を参照）では、嵌合部４００と保持部４０１との径方向厚み寸法を等しく構成したが、図２に示す例ではｔ１＜ｔ２と設定することにより、嵌合部４００と保持部４０１との接続部分がより撓みやすくなり、永久磁石４１に伝達される歪みをより効果的に低減することができる。

また、嵌合部４００の厚さ寸法ｔ１は、ヨーク４０の外径寸法Ｄの１０％以下とするのが好ましい。これにより、嵌合部４００と保持部４０１との接続部分がより撓みやすくなり、永久磁石４１に伝達される歪みをより効果的に低減させることができる。また、嵌合部４００の接合領域の軸方向寸法Ｌａは、ヨーク４０の軸方向寸法Ｌｂの１０％以下とするのが好ましい。これにより、ヨーク４０の軸方向寸法を抑えつつ、凸部１００と保持部４０１との位置が軸方向に重複しない構成とすることが容易となる。

また、嵌合接合部Ａにおける嵌め合いを締まり嵌めとすることで、温度上昇や遠心力によるモータロータ４ｂの変形を小さくすることができ、モータロータ４ｂにおけるアンバランス量の変化を低減することができる。さらにまた、嵌め合い部をモータロータ４ｂの片側一箇所ではなく両端二箇所とすることで、片側一箇所とした場合の締まり嵌めとしていない方のヨーク端の、半径方向の変位量増加という問題が発生するのを未然に防止することができる。

図３〜図５は上述した実施の形態の変形例を示す図であり、いずれの変形例においても、上述した実施の形態の場合と同様の作用効果を奏することができる。

（第１の変形例）
図３は第１の変形例を示す図である。第１の変形例では、シャフト１０に凸部１００を設ける代わりに、ヨーク４０の嵌合部４００にリング状の凸部４００ａを形成した。凸部４００ａは各嵌合部４００の内周側に各々形成されており、各凸部４００ａとシャフト１０とが嵌合接合される。この場合も、嵌合接合は締まり嵌めとされる。

その他の構成は、図２に示した場合と同様であり、保持部４０１は一対の嵌合部４００の間に形成されている。また、一対の凸部４００ａの間には隙間が形成されている。嵌合部４００の径方向厚さ寸法ｔ１は、保持部４０１の径方向厚さ寸法ｔ２よりも小さく設定されている。嵌合部４００の径方向厚さ寸法ｔ１は、保持部４０１の外径寸法Ｄの１０％以下に設定されている。また、嵌合接合部Ａの軸方向寸法、すなわち凸部４００ａの軸方向寸法Ｌａは、ヨーク４０の軸方向寸法Ｌｂの１０％以下に設定されている。

（第２の変形例）
図４は第２の変形例を示す図である。第２の変形例では、シャフトと１０にリング状の凹部１０２を設けることで、ヨーク４０とシャフト１０との間に隙間を形成した。ヨーク４０の形状は図２に示したヨーク４０と同様であって、嵌合部４００および保持部４０１を備えている。そして、ヨーク４０の嵌合部４００は、凹部１０２を挟んだ軸方向上側および下側のシャフト大径部分と、締まり嵌めで嵌合接合されている。ここでは、嵌合接合部Ａの部分のシャフト大径部を、嵌合部１０１と呼ぶことにする。上述のような凹部１０２をシャフト１０に形成したことにより、保持部４０１の部分において、ヨーク４０とシャフト１０との間に隙間が形成されることになる。すなわち、ヨーク４０の保持部４０１は、一対の嵌合接合部Ａの間に設けられていることになる。

その他の構成は図２に示した場合と同様である。嵌合部４００の径方向厚さ寸法ｔ１は、保持部４０１の径方向厚さ寸法ｔ２よりも小さく設定されている。また、嵌合部４００の径方向厚さ寸法ｔ１は、保持部４０１の外径寸法Ｄの１０％以下に設定されている。また、嵌合接合部Ａの軸方向寸法、すなわち凸部１００の軸方向寸法Ｌａは、ヨーク４０の軸方向寸法Ｌｂの１０％以下に設定されている。

なお、上述した実施の形態では、嵌合接合部Ａにおける嵌め合いが締まり嵌めの場合について説明した。しかし、ヨーク４０の軸方向両端に設けられた嵌合部４００によりシャフト１０に接合する構成であれば、すきま嵌めの場合においても、永久磁石４１に対するシャフト１０の熱膨張変形の影響を低減することができる。なお、すきま嵌めの場合、嵌合部４００とシャフト１０との接合は、例えば接着剤等によって行われる。

上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

１…ターボ分子ポンプ、３…ポンプロータ、４…モータ、４ａ…モータステータ、４ｂ…モータロータ、６ａ，６ｂ，４１…永久磁石、１０…シャフト、４０，４０Ｂ…ヨーク、１００，４００ａ…凸部、１０１，４００…嵌合部、１０２…凹部、４０１…保持部、Ａ…嵌合接合部、Ｄ…外径寸法

Claims

ロータをモータで回転駆動して真空排気を行う真空ポンプにおいて、
前記モータのモータロータは、前記ロータのシャフトに固定されるヨークと、前記ヨークに保持される永久磁石とを備え、
前記ヨークには、前記シャフトと離間して設けられ、前記永久磁石を保持する保持部と、前記保持部の軸方向両端に設けられ、前記シャフトに嵌め合いにより接合している一対の嵌合部とが形成され、前記嵌合部の径方向厚さ寸法は、前記保持部の径方向厚さ寸法よりも小さく設定されている、真空ポンプ。
請求項１に記載の真空ポンプにおいて、
前記嵌合部と前記シャフトとの嵌め合いが締まり嵌めである、真空ポンプ。
請求項１または２に記載の真空ポンプにおいて、
前記嵌合部のシャフト対向面および前記シャフトの前記嵌合部に対向する面の、いずれか一方に凸部が形成され、
前記凸部において前記ヨークと前記シャフトとが接合されている、真空ポンプ。
請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
前記嵌合部における接合領域の軸方向幅寸法は、前記ヨークの軸方向幅寸法の１０％以下に設定されている、真空ポンプ。
請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
前記嵌合部の径方向厚さ寸法は、前記ヨークの外径寸法の１０％以下に設定されている、真空ポンプ。