JP2688624B2 - Operation control method of turbo molecular pump - Google Patents

Operation control method of turbo molecular pump

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JP2688624B2 JP63191077A JP19107788A JP2688624B2 JP 2688624 B2 JP2688624 B2 JP 2688624B2 JP 63191077 A JP63191077 A JP 63191077A JP 19107788 A JP19107788 A JP 19107788A JP 2688624 B2 JP2688624 B2 JP 2688624B2
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Description

【発明の詳細な説明】 この発明はターボ分子ポンプの運転制御方法に関する
ものである。
The present invention relates to an operation control method for a turbo molecular pump.

ターボ分子ポンプにおいては、ロータの径方向に対し
ても、また軸方向に対しても能動型磁気軸受を使用する
のが一般的であるが、制御の容易化、コスト低減等の観
点からは、回転軸方向のみを能動型磁気軸受とし、径方
向は受動型磁気軸受とした一軸制御型磁気軸受装置を使
用するのが好ましい。しかしながら径方向の受動型磁気
軸受は減衰特性が良好なものではなく、そのため共振点
での振幅倍率が大きく、共振点通過時の事故防止のた
め、各種対策を実施する必要が生じている。
In a turbo molecular pump, it is common to use active magnetic bearings not only in the radial direction of the rotor but also in the axial direction, but from the viewpoints of easy control, cost reduction, etc. It is preferable to use a uniaxial control type magnetic bearing device in which the active magnetic bearing is used only in the rotation axis direction and the passive magnetic bearing is used in the radial direction. However, the passive magnetic bearing in the radial direction does not have a good damping characteristic, so that the amplitude magnification at the resonance point is large, and it is necessary to take various measures to prevent an accident when passing through the resonance point.

この発明は上記に鑑みなされたものであって、その目
的は、共振点通過時の事故発生の可能性を低減し得るタ
ーボ分子ポンプの運転制御方法を提供することにある。
The present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to provide an operation control method of a turbo molecular pump that can reduce the possibility of an accident occurring when passing through a resonance point.

そこでこの発明のターボ分子ポンプの運転制御方法
は、ケーシング内においてロータを径方向磁気軸受にて
径方向支持すると共に、軸方向磁気軸受にて軸方向浮上
位置を調整可能に支持する一方、上記ロータが軸方向平
衡点よりも下降または上昇した位置においてロータを軸
方向支持する機械的軸受を設け、上記ロータの回転数が
1次共振点を通過するまでは上記機械的軸受によるロー
タ支持を行うと共に、ロータの回転数が1次共振点を通
過した後に上記軸方向磁気軸受でロータを平衡点にまで
浮上させるようにしている。
Therefore, according to the operation control method of the turbo molecular pump of the present invention, the rotor is supported by the radial magnetic bearings in the casing in the radial direction, and the axial levitation position is adjustable by the magnetic bearings. Is provided with a mechanical bearing that axially supports the rotor at a position lower or higher than the axial equilibrium point, and the rotor is supported by the mechanical bearing until the rotational speed of the rotor passes the primary resonance point. After the rotational speed of the rotor has passed the primary resonance point, the rotor is levitated to the equilibrium point by the axial magnetic bearing.

次にこの発明のターボ分子ポンプの運転制御方法の具
体的な実施例について、図面を参照しつつ詳細に説明す
る。
Next, a specific embodiment of the operation control method of the turbo molecular pump of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

第1図において、1はターボ分子ポンプの全体を示し
ているが、このポンプ1は、本体ケーシング2内に配置
したモータ3によってロータシャフト4を回転駆動し、
これによってターボ翼5を回転させ、吸気口6からの吸
気を排気口から排気する構造のものである。上記ロータ
シャフト4は、その上下両部において受動型磁気軸受
8、9によって径方向支持がなされており、下部に設け
た能動型磁気軸受10によって軸方向支持がなされてい
る。なお図において12はころがり軸受であって、これら
は主としてロータシャフト4の最大変位量を規制する安
全用のものであるが、上部のころがり軸受12は他の重要
な機能も有するものである。なおこの点については後述
する。
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes the entire turbo molecular pump, but this pump 1 drives a rotor shaft 4 to rotate by a motor 3 arranged in a main body casing 2,
As a result, the turbo blade 5 is rotated and the intake air from the intake port 6 is exhausted from the exhaust port. The rotor shaft 4 is radially supported by the passive magnetic bearings 8 and 9 at both upper and lower portions thereof, and is axially supported by the active magnetic bearing 10 provided at the lower portion. In the figure, 12 are rolling bearings, which are mainly for safety that regulate the maximum displacement amount of the rotor shaft 4, but the upper rolling bearing 12 also has other important functions. This point will be described later.

下部磁気軸受9は、一対の永久磁石13、13によって構
成されるもので、これらは相対向する位置に同極が存す
るように配置されている。また下部磁気軸受9は、本体
ケーシング2の底部に揺動自在に配置された自由揺動体
15を有しており、この自由揺動体15とロータシャフト4
とは、永久磁石16、16によって磁気的に結合されてい
る。そして上記自由揺動体15の上昇位置は、ボール17に
よって上記ロータシャフト4に接触しないように規制さ
れており、また自由揺動体15と本体ケーシング2との間
には、磁性流体等の減衰材18が介設されている。すなわ
ちこの下部磁気軸受9においては、上記自由揺動体15と
減衰材18とによって、ロータシャフト4に対し、充分な
減衰能を付与し得るようなされているのである。
The lower magnetic bearing 9 is composed of a pair of permanent magnets 13 and 13, and these are arranged so that the same poles exist at positions facing each other. Further, the lower magnetic bearing 9 is a free rocking body that is rockably arranged on the bottom of the main body casing 2.
15 has the free rocker 15 and the rotor shaft 4.
And are magnetically coupled by the permanent magnets 16, 16. The raised position of the free oscillating body 15 is regulated by a ball 17 so as not to contact the rotor shaft 4, and a damping material 18 such as a magnetic fluid is provided between the free oscillating body 15 and the main body casing 2. Is installed. That is, in the lower magnetic bearing 9, the free oscillating body 15 and the damping material 18 can impart sufficient damping ability to the rotor shaft 4.

一方、上部磁気軸受8においては、本体ケーシング2
の頂部に、自由揺動体19が揺動可能に支持され、この自
由揺動体19とロータシャフト4との間に一対の永久磁石
20、20が介設され、磁気軸受が構成されている。上記自
由揺動体19は、本体ケーシング2と一対の永久磁石21、
21によって磁気的に結合されると共に、この自由揺動体
19と本体ケーシング2との間には、磁性流体等の減衰材
22が介設されている。すなわち、この上部磁気軸受8に
おいては、上記自由回転体19と減衰材22とによって、ロ
ータシャフト4に対して減衰能を付与し得るようなされ
ているのである。
On the other hand, in the upper magnetic bearing 8, the main body casing 2
A free oscillating body 19 is swingably supported on the top of the rotor, and a pair of permanent magnets is provided between the free oscillating body 19 and the rotor shaft 4.
20 and 20 are provided to form a magnetic bearing. The free oscillating body 19 includes a main body casing 2, a pair of permanent magnets 21,
This free rocker is magnetically coupled by 21
A damping material such as magnetic fluid is provided between the body 19 and the main casing 2.
22 are installed. That is, in the upper magnetic bearing 8, the free rotating body 19 and the damping material 22 can impart damping capability to the rotor shaft 4.

次に、上記軸方向支持を行うための能動型磁気軸受10
について説明する。第1図において、23はアーマチャー
ディスクであって、このアーマチャーディスク23は、ロ
ータシャフト4に対し、一体回転可能に取着されてい
る。このアーマチャーディスク23を挟んで、軸方向の両
側の位置には、一対の軸受要素24、24が配置されてい
る。各軸受要素24は、永久磁石25の両磁極面に一対の磁
極片27、28を取着した構造のものである。そして上記一
対の磁極片27、28間の位置において、上記永久磁石25よ
りも先端側に制御コイル29が配置され、この制御コイル
29よりもさらに先端側にセンサーコイル30が配置されて
いる。なおこのセンサーコイル30は、上記制御コイル29
と同方向に巻かれているものとする。この磁気軸受10に
おいては、一対のセンサーコイル30、30にて、アーマチ
ャーディスク23の変位を差動検出し、この検出結果に基
づいて制御コイル29、29への制御電流を調整し、これに
よりロータシャフト4を適正なる浮上位置にて保持する
ような機能を有するものである。またこの磁気軸受10の
場合、永久磁石25のNS極面間隔を長くして、内部磁気抵
抗を大きくし(例えば、上記磁極片27、28を軟磁性体に
て構成する)、制御コイル29の磁路そ磁気抵抗を、永久
磁石25の漏れ磁路を作ることによって最適化し、また永
久磁石25よりも先端側に制御コイル29を配置することに
よって、制御電流による制御特性を向上し得ると共に、
アーマチャーディスク23の変位による不平衡バネ定数を
小さくでき、しかもその構成を簡素化することが可能と
なるという利点を有する。
Next, the active magnetic bearing 10 for performing the above axial support is provided.
Will be described. In FIG. 1, reference numeral 23 is an armature disc, and the armature disc 23 is attached to the rotor shaft 4 so as to be integrally rotatable. A pair of bearing elements 24, 24 are arranged at positions on both sides in the axial direction with the armature disc 23 interposed therebetween. Each bearing element 24 has a structure in which a pair of magnetic pole pieces 27 and 28 are attached to both magnetic pole surfaces of a permanent magnet 25. A control coil 29 is arranged on the tip side of the permanent magnet 25 at a position between the pair of magnetic pole pieces 27, 28.
The sensor coil 30 is arranged further on the tip side than 29. The sensor coil 30 is the control coil 29 described above.
Shall be wound in the same direction as. In this magnetic bearing 10, the displacement of the armature disk 23 is differentially detected by the pair of sensor coils 30 and 30, and the control current to the control coils 29 and 29 is adjusted based on the detection result. It has a function of holding the rotor shaft 4 at an appropriate floating position. Further, in the case of this magnetic bearing 10, the NS pole face spacing of the permanent magnet 25 is increased to increase the internal magnetic resistance (for example, the magnetic pole pieces 27 and 28 are made of a soft magnetic material), and the control coil 29 is The magnetic path and its magnetic resistance are optimized by creating a leakage magnetic path of the permanent magnet 25, and by disposing the control coil 29 on the tip side of the permanent magnet 25, the control characteristics by the control current can be improved, and
This has the advantage that the unbalanced spring constant due to the displacement of the armature disk 23 can be reduced and the configuration can be simplified.

第2図には上部側のころがり軸受12とロータシャフト
4との関係を示すが、同図のようにロータシャフト4は
ころがり軸受12の内径よりやや径小な外径のもので、そ
の上部にはころがり軸受12の内径よりも径大なフランジ
部31を有している。すなわち、ロータシャフト4が適正
位置に浮上している状態では、ころがり軸受12とフラン
ジ部31との間には所定の間隙Lが形成される一方、ロー
タシャフト4が所定量以上、下降したときには上記フラ
ンジ部31がころがり軸受12のインナーレースに接触し得
るようなされている。なお32はバネであって、このバネ
32は、上記フランジ部31のころがり軸受12への接触、離
反時のショックを軽減するためのものである。
Fig. 2 shows the relationship between the upper rolling bearing 12 and the rotor shaft 4. As shown in the same figure, the rotor shaft 4 has an outer diameter slightly smaller than the inner diameter of the rolling bearing 12, The rolling bearing 12 has a flange portion 31 having a diameter larger than the inner diameter of the rolling bearing 12. That is, while the rotor shaft 4 is floating at the proper position, a predetermined gap L is formed between the rolling bearing 12 and the flange portion 31, while when the rotor shaft 4 descends by a predetermined amount or more, The flange portion 31 is adapted to come into contact with the inner race of the rolling bearing 12. 32 is a spring, and this spring
Reference numeral 32 is for reducing a shock when the flange portion 31 comes into contact with and separates from the rolling bearing 12.

次に、上記ターボ分子ポンプの起動時の運転制御方法
について、第3図に基づいて説明する。まず最初の段階
においては、ロータシャフト4を適正浮上位置よりもや
や下降させ、ロータシャフト4のフランジ部31が、ころ
がり軸受12に軽く接触した状態において、ロータ翼5の
回転駆動を開始する(第3図A点)。そしてこのロータ
翼5の回転数が、上部磁気軸受8の1次共振点B及び下
部磁気軸受9の1次共振点Cを通過して所定の回転数に
達すると(同図D点)、制御コイル29への制御電流を次
第に増加してロータシャフト4を少しずつ浮上させる。
この作動は、ロータ翼5が所定回転数に達すると共に、
ロータシャフト4が平衡点に達するまで行われ(同図E
点)、それ以後は、ロータシャフト4を平衡点に浮上さ
せた状態での回転駆動を行うのである。
Next, an operation control method at the time of starting the turbo molecular pump will be described with reference to FIG. In the first stage, the rotor shaft 4 is slightly lowered from the proper floating position, and the rotary drive of the rotor blades 5 is started in a state where the flange portion 31 of the rotor shaft 4 is in slight contact with the rolling bearing 12 ( (Point A in Figure 3). When the rotation speed of the rotor blade 5 passes through the primary resonance point B of the upper magnetic bearing 8 and the primary resonance point C of the lower magnetic bearing 9 and reaches a predetermined rotation speed (point D in the figure), control is performed. The control current to the coil 29 is gradually increased to gradually float the rotor shaft 4.
This operation is performed when the rotor blade 5 reaches a predetermined rotation speed,
This is performed until the rotor shaft 4 reaches the equilibrium point (see FIG.
Point) and thereafter, the rotational drive is performed in a state where the rotor shaft 4 is levitated at the equilibrium point.

なお上記例とは逆に、ロータの浮上位置を適正浮上位
置よりも上昇させて同様の効果を得ることが、ころがり
軸受12の位置等を工夫することにより可能なことは言う
までもないことである。
It is needless to say that contrary to the above example, it is possible to raise the rotor levitation position above the proper levitation position to obtain the same effect by devising the position of the rolling bearing 12 and the like.

以上のようにこの発明のターボ分子ポンプの運転制御
方法では、ロータの回転数が1次共振点を通過するまで
は、ロータが機械的軸受によって支持される構成を採用
しているので、共振点通過時の事故発生の危険性を低減
することが可能となり、ポンプの作動信頼性を向上し得
ることになる。
As described above, in the operation control method for the turbo molecular pump of the present invention, the rotor is supported by the mechanical bearing until the rotation speed of the rotor passes through the primary resonance point. It is possible to reduce the risk of an accident occurring when passing, and improve the operational reliability of the pump.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図はこの発明の運転制御方法を実施するためのター
ボ分子ポンプの一例を示す縦断面図、第2図はその一部
を拡大して示す縦断面図、第3図は運転制御方法の一例
の説明図である。 1……ターボ分子ポンプ、2……本体ケーシング、4…
…ロータシャフト、5……ロータ翼、8、9……磁気軸
受、10……軸方向磁気軸受、12……ころがり軸受。
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing an example of a turbo molecular pump for carrying out the operation control method of the present invention, FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing a part of the turbo molecular pump in an enlarged manner, and FIG. It is an explanatory view of an example. 1 ... Turbo molecular pump, 2 ... Main body casing, 4 ...
... Rotor shaft, 5 ... Rotor blade, 8,9 ... Magnetic bearing, 10 ... Axial magnetic bearing, 12 ... Rolling bearing.

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】ケーシング内においてロータを径方向磁気
軸受にて径方向支持すると共に、軸方向磁気軸受にて軸
方向浮上位置を調整可能に支持する一方、上記ロータが
軸方向平衡点よりも下降または上昇した位置においてロ
ータを軸方向支持する機械的軸受を設け、上記ロータの
回転数が1次共振点を通過するまでは上記機械的軸受に
よるロータ支持を行うと共に、ロータの回転数が1次共
振点を通過した後に上記軸方向磁気軸受でロータを平衡
点にまで浮上させることを特徴とするターボ分子ポンプ
の運転制御方法。
Claim: What is claimed is: 1. In a casing, a rotor is supported by radial magnetic bearings in a radial direction, and an axial magnetic bearing is adjustably supported in an axial flying position, while the rotor is lower than an axial equilibrium point. Alternatively, a mechanical bearing for axially supporting the rotor at an elevated position is provided, the rotor is supported by the mechanical bearing until the rotational speed of the rotor passes a primary resonance point, and the rotational speed of the rotor is primary. A method of controlling operation of a turbo molecular pump, characterized in that the rotor is levitated to the equilibrium point by the axial magnetic bearing after passing through the resonance point.
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