JP3777500B2 - 磁気軸受装置 - Google Patents
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- F16C2360/44—Centrifugal pumps
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、羽根車等のロータを回転駆動するロータシャフトを非接触で５軸に軸支する磁気軸受装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、高速回転するロータにより気体の排気を行うターボ分子ポンプにあっては、ロータを回転駆動するロータシャフトを２個のラジアル磁気軸受と１個のアキシャル磁気軸受とを有する磁気軸受装置で５軸制御可能に浮上軸支することが広く行われている。
【０００３】
図６は、ラジアル磁気軸受として能動形磁気軸受を使用した、この種の磁気軸受装置の従来の一般的な構成を示すもので、この磁気軸受装置は、一端に羽根車等のロータ１０を固着したロータシャフト１２の回転を除く５自由度の５軸方向を能動制御するようにしたものである。
【０００４】
すなわち、ロータシャフト１２のほぼ中央には、モータ１４を構成するモータロータ１６が固着され、ステータ１８の該モータロータ１６と対向する位置には、モータ１４を構成するモータステータ２０が配置されている。このモータ１４を挟んでロータシャフト１２の上下には、ロータ側ラジアル磁気軸受２２と反ロータ側ラジアル磁気軸受２４が設けられ、更にその外側にロータ側タッチベアリング２６と反ロータ側タッチベアリング２８が設けられている。そして、ロータシャフト１２の反ロータ側下端にアキシャル磁気軸受３０が配置されている。
【０００５】
ロータ側ラジアル磁気軸受２２は、ロータシャフト１２の互いに対面する被センサ部３２を介してロータシャフト１２のラジアル変位を検出するラジアル変位センサ３４と、ロータシャフト１２の互いに対面する被軸受部３６を介してロータシャフト１２をラジアル方向に支持するラジアル電磁石３８とを有している。そして、ラジアル変位センサ３４によるロータシャフト１２のラジアル変位の検出量に基づき、ラジアル電磁石３８の磁気力をロータシャフト１２が対向した一対のラジアル変位センサ３４の中心付近にくるように制御するようになっている。
【０００６】
反ロータ側ラジアル磁気軸受２４も同様に、ロータシャフト１２の被センサ部４０を介してロータシャフト１２のラジアル変位を検出するラジアル変位センサ４２と、ロータシャフト１２の被軸受部４４を介してロータシャフト１２をラジアル方向に支持するラジアル電磁石４６とを有しており、その作用は前述と同様である。
【０００７】
一方、アキシャル磁気軸受３０は、ロータシャフト１２の下端に着脱自在に繋着されるアキシャルディスク５０と、このアキシャルディスク５０を介してロータシャフト１２のアキシャル変位を検出するアキシャル変位センサ５２と、アキシャルディスク５０を挟んで上下に配置されたアキシャル電磁石５４とを有している。そして、アキシャル変位センサ５２によるロータシャフト１２のアキシャル変位の検出量に基づき、アキシャル電磁石５４の磁気力をアキシャルディスク５０が所定の位置にくるように制御するようになっている。
【０００８】
ここで、ロータシャフト１２の径寸法は、組立上、ロータ側から反ロータ側に向かう程、徐々に小径となるか、若しくは同じ寸法に設定されている。つまり、ロータシャフト１２のロータ側タッチベアリング２６における被支持部５６の外径ｄ１、ロータ側ラジアル磁気軸受２２における被センサ部３２の外径ｄ２、被軸受部３６の外径ｄ３、モータロータ１６の外径ｄ４、反ロータ側ラジアル磁気軸受２４における被軸受部４４の外径ｄ５、被センサ部４０の外径ｄ６及び反ロータ側タッチベアリング２８における被支持部５８の外径ｄ７が、（ｄ１≧ｄ２≧ｄ３≧ｄ４≧ｄ５≧ｄ６≧ｄ７）の関係となるようになっている。この例にあっては、ロータ側タッチベアリング２６における被支持部５６の外径ｄ１及び反ロータ側タッチベアリング２８における被支持部５８の外径ｄ７を除くこれらの寸法は全て等しく（ｄ２＝ｄ３＝ｄ４＝ｄ５＝ｄ６）設定されている。
【０００９】
一方、ロータシャフト１２に対面するように配置されたステータ１８側の各部の内径は、組立上、ロータから反ロータ側に向かう程、徐々に小径となるか、若しくは同じ寸法に設定されている。つまり、ロータ側タッチベアリング２６の内径Ｄ１、ロータ側ラジアル磁気軸受２２のラジアル変位センサ３４の内径Ｄ２、ラジアル電磁石３８の内径Ｄ３、モータステータ２０の内径Ｄ４、反ロータ側ラジアル磁気軸受２４のラジアル電磁石４６の内径Ｄ５、ラジアル変位センサ４２の内径Ｄ６及び反ロータ側タッチベアリング２８の内径Ｄ７が、（Ｄ１≧Ｄ２≧Ｄ３≧Ｄ４≧Ｄ５≧Ｄ６≧Ｄ７）の関係となるようになっている。この例にあっては、ロータ側タッチベアリング２６の内径Ｄ１及び反ロータ側タッチベアリング２８の内径Ｄ７を除くこれらの寸法は全て等しく（Ｄ２＝Ｄ３＝Ｄ４＝Ｄ５＝Ｄ６）設定されている。
【００１０】
なお、組立可能な範囲であれば、Ｄ１＜Ｄ２の場合もあり得る。このような構成の磁気軸受装置でロータシャフトとステータの組立は、ロータシャフトにロータを組み付けた状態でロータシャフトとステータの組立が行われる。
【００１１】
ここで、タッチベアリング２６，２８は、ロータシャフト１２を磁気軸受２２，２４，３０で支承しない時に、ロータシャフト１２やモータロータ１６が、ステータ１８と直接接触しないようにロータシャフト１２を保持する役目がある。このため、磁気軸受２２，２４，３０の磁気力や、ロータシャフト１２及びモータロータ１６とステータ１８の各部との間の隙間を考慮して、ロータシャフト１２との間の隙間と位置が設定されている。また、機能上、ロータシャフト１２とタッチベアリング２６，２８の内輪部とのラジアル方向及びアキシャル方向の隙間は、それぞれの磁気軸受２２，２４，３０及びモータ１４の隙間より小さく設定されている。厳密には、ロータシャフト１２を磁気軸受２２，２４，３０で支承させない状態から、各磁気軸受２２，２４，３０で支承する際の立ち上げのため、またはロータシャフト１２のバランスが崩れたときの条件や、ロータシャフト１２の回転の負荷が増大したときの条件等を考慮して設定されている。
【００１２】
なお、この例では、ラジアル磁気軸受として、能動形磁気軸受を使用した例を示しているが、永久磁石等を用いた受動形磁気軸受で４軸方向の任意の軸数を支承することも広く行われている。
【００１３】
このような磁気軸受装置において、ロータ側タッチベアリング２６の内径Ｄ１と被支持部５６の外径ｄ１との間の隙間（Ｄ１−ｄ１）、ロータ側ラジアル磁気軸受２２のラジアル変位センサ３４の内径Ｄ２と被センサ部３２の外径ｄ２との間の隙間（Ｄ２−ｄ２）、ラジアル電磁石３８の内径Ｄ３と被軸受部３６の外径ｄ３との間の隙間（Ｄ３−ｄ３）、モータステータ２０の内径Ｄ４とモータロータ１６の外径ｄ４との間の隙間（Ｄ４−ｄ４）、反ロータ側ラジアル磁気軸受２４のラジアル電磁石４６の内径Ｄ５と被軸受部４４の外径ｄ５との間の隙間（Ｄ５−ｄ５）、ラジアル変位センサ４２の内径Ｄ６と被センサ部４０の外径ｄ６との間の隙間（Ｄ６−ｄ６）及び反ロータ側タッチベアリング２８の内径Ｄ７と被支持部５８の外径ｄ７との間の隙間（Ｄ７−ｄ７）は、それぞれ性能・機能を考慮して、非常に微小な寸法（約０．１〜０．５ｍｍ）に設定されている。
【００１４】
また、加工や組立等の生産性の観点から、前述のように、ロータシャフト１２側の磁気軸受部やモータ部の外径（ｄ２〜ｄ６）を同径として、これらに対面するステータ１８側の各部の内径（Ｄ２〜Ｄ６）を同径に構成するのが一般的である。これによって、ステータ側の各部の内径（Ｄ２〜Ｄ６）とロータシャフト側の各部の外径（ｄ２〜ｄ６）との間の隙間（Ｄ２−ｄ２〜Ｄ６−ｄ６）は一定となり、また、これら隙間（Ｄ２−ｄ２〜Ｄ６−ｄ６）が、タッチベアリング２６，２８の内径Ｄ１，Ｄ７とロータシャフト１２の被支持部５６，５８の外径ｄ１，ｄ７との間の隙間、いわゆるタッチベアリング隙間（Ｄ１−ｄ１，Ｄ７−ｄ７）より大きくなるように設定されている。
【００１５】
一方、ロータシャフト１２のラジアル磁気軸受部における各部の外径（ｄ２〜ｄ６）が同径でない場合でも、組立上、前述のように、これらの外径が（ｄ２＞ｄ３＞ｄ４＞ｄ５＞ｄ６ ）なる条件で構成される場合には、磁気軸受部やモータ部におけるロータとステータとの間の各隙間が一定となるように、ステータ側の各部の内径も（Ｄ２＞Ｄ３＞Ｄ４＞Ｄ５＞Ｄ６）なる関係で構成されるのが一般的である。これは、タッチベアリング隙間（Ｄ１−ｄ１，Ｄ７−ｄ７）と、ラジアル磁気軸受部やモータ部におけるロータシャフト側の各部の外径とステータ側の各部の内径との間の隙間（Ｄ２−ｄ２〜Ｄ６−ｄ６）の差を一定に保ち、ロータシャフト１２をタッチベアリング２６，２８で支持した時にロータシャフト１２とステータ１８とが接触しないようにするための、いわゆる“ニゲ”を任意の箇所で同一にするという考えによる。
【００１６】
ここで、最近の磁気軸受技術の発展は目覚ましく、耐熱性が高くかつ大電流容量のコイル巻線の開発や、電磁石や誘導型センサのコアになる磁性材料の改良等により、電磁石の改良や変位センサの改良が図られる一方、永久磁石の改良も行われている。これにより、隙間を従来のままで能力を大幅に向上させた磁気軸受が開発されている。
【００１７】
また、モータ部においては、力率改善回路の採用や、誘導型から効率のよい直流型モータの採用による効率の改良が行われているが、近年の真空ポンプに対する要求、すなわち、▲１▼高い圧力での運転、▲２▼多くのガス量の排気、▲３▼ポンプのコンパクト化、を実現させるためには、モータ部の性能向上が必須である。特に近年、ターボ分子ポンプのコンパクト化と性能向上を図るために、ロータシャフトを極力細くするようになっている。こうすれば、磁気軸受部やロータ（羽根車）をコンパクト化することができる。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、モータの性能は、モータのロータとステータとの対面部の面積やロータとステータとの間の隙間等の設計パラメータによるところが大きい。このため、ロータシャフトを細くすると必然的にモータ部の軸方向寸法、ひいてはロータシャフトの軸方向寸法を大きくとる必要があり、それに伴い、ポンプが大きく（長く）なって、コンパクト化の障害になるという問題があった。またモータ部におけるロータとステータとの間の隙間は、前述のように、磁気軸受部におけるロータとステータとの間の隙間と同一に設定されていたため、モータの効率が悪く、モータを駆動させるためのモータドライバも大きくなってしまうという問題があった。
【００１９】
本発明は、上記事情に鑑みて為されたもので、磁気軸受と一体になったモータのコンパクト化を図りつつモータとしての効率と性能を向上させ、これによって、ポンプ等の磁気軸受装置を組み込んだ製品や、それを駆動及び制御するコントローラのコンパクト化を実現できるようにした磁気軸受装置を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、モータロータと一体に回転するロータシャフトを、該モータロータを挟んだ位置に配置されるロータ側ラジアル磁気軸受と反ロータ側ラジアル磁気軸受の２個のラジアル磁気軸受と１個のアキシャル磁気軸受により浮上軸支し、該ロータ側ラジアル磁気軸受及び反ロータ側ラジアル磁気軸受の外側にロータ側タッチベアリング及び反ロータ側タッチベアリングを配置した５軸形磁気軸受装置において、前記ロータ側ラジアル磁気軸受として能動形磁気軸受を使用し、前記モータロータの外径と該モータロータと対面するモータステータの内径との間の隙間を、前記能動形磁気軸受のラジアル変位センサの内径と該変位センサに対面するロータシャフトの被センサ部の外径との間の隙間、及び前記能動形磁気軸受のラジアル電磁石の内径と該電磁石に対面するロータシャフトの被軸受部の外径との間の隙間より小さく設定し、前記能動型磁気軸受の前記ラジアル変位センサ及び前記ラジアル電磁石、並びに前記ロータ側タッチベアリングの内径を、前記ロータシャフトの前記被センサ部及び前記被軸受部、並びに前記モータロータの外径より大きく設定したことを特徴とする磁気軸受装置である。
【００２１】
これにより、モータの効率を向上させて、モータ部及び／又はモータドライバ部のコンパクト化を図り、結果的に磁気軸受装置全体のコンパクト化を実現することができる。
【００２２】
つまり、モータのロータとステータとの間の隙間での磁束密度とモータで発生するトルクには次のような関係がある。
Ｔ＝Ｋ１・Ｂ・Ｉ
ここに、Ｔ：モータで発生するトルク
Ｋ１：係数
Ｂ：ロータとステータとの間の隙間での磁束密度
Ｉ：モータステータ巻線部の電流
また、ロータとステータ間の磁束密度とロータとステータとの間の隙間には次のような関係がある。
Ｂ＝Ｋ２／δ
ここに、Ｋ２：係数、
δ：ロータとステータの隙間
従って、モータのロータとステータとの間の隙間を可及的に小さく設定することにより、モータで発生するトルクを大きくすることができる。
【００２３】
請求項２に記載の発明は、前記ロータシャフトに真空ポンプのロータを連結したことを特徴とする請求項１に記載の磁気軸受装置である。
これにより、特に、真空ポンプの軸方向寸法（高さ寸法）を小さくして、真空ポンプのコンパクト化を図るとともに、ポンプの運転可能範囲（ポンプの許容排気ガス量やポンプの運転可能圧力の範囲）を広くとることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１乃至図５を参照して説明する。なお、図６に示す従来例と同一部材には同一符号を付してその説明を一部省略する。
【００２５】
図１及び図２は、図６に示す従来例と同様に、ラジアル磁気軸受として能動形磁気軸受を使用した本発明の第１の実施の形態の磁気軸受装置を示す。これは、ロータシャフト１２側の各部にあっては、ロータシャフト１２のロータ側タッチベアリング２６における被支持部５６の外径ｄ１、ロータ側ラジアル磁気軸受２２における被センサ部３２の外径ｄ２、被軸受部３６の外径ｄ３、反ロータ側ラジアル磁気軸受２４における被軸受部４４の外径ｄ５、被センサ部４０の外径ｄ６及び反ロータ側タッチベアリング２８における被支持部５８の外径ｄ７が、（ｄ１≧ｄ２≧ｄ３≧ｄ５≧ｄ６≧ｄ７）の関係となるようになっている。この例にあっては、ロータ側タッチベアリング２６における被支持部５６の外径ｄ１及び反ロータ側タッチベアリング２８における被支持部５８の外径ｄ７を除くこれらの寸法は全て等しく（ｄ２＝ｄ３＝ｄ５＝ｄ６）設定されている。そして、モータロータ１６の外径ｄ４がこれらの外径よりも大きく（ｄ４＞ｄ２＝ｄ３＝ｄ５＝ｄ６）設定されている。
【００２６】
一方、ステータ１８側の各部にあっては、ロータ側ラジアル磁気軸受２２のラジアル変位センサ３４の内径Ｄ２、ラジアル電磁石３８の内径Ｄ３、モータステータ２０の内径Ｄ４、反ロータ側ラジアル磁気軸受２４のラジアル電磁石４６の内径Ｄ５及びラジアル変位センサ４２の内径Ｄ６が等しく、ロータ側タッチベアリング２６の内径Ｄ１が等しいか又は大きく、反ロータ側タッチベアリング２８の内径Ｄ７のみが小径となる（Ｄ１≧Ｄ２＝Ｄ３＝Ｄ４＝Ｄ５＝Ｄ６＞Ｄ７）ように設定されている。
【００２７】
これにより、ロータ側ラジアル磁気軸受２２のラジアル変位センサ３４の内径Ｄ２と被センサ部３２の外径ｄ２との間の隙間（Ｄ２−ｄ２）、ラジアル電磁石３８の内径Ｄ３と被軸受部３６の外径ｄ３との間の隙間（Ｄ３−ｄ３）、反ロータ側ラジアル磁気軸受２４のラジアル電磁石４６の内径Ｄ５と被軸受部４４の外径ｄ５との間の隙間（Ｄ５−ｄ５）、ラジアル変位センサ４２の内径Ｄ６と被センサ部４０の外径ｄ６との間の隙間（Ｄ６−ｄ６）は等しく（Ｄ２−ｄ２＝Ｄ３−ｄ３＝Ｄ５−ｄ５＝Ｄ６−ｄ６）、モータステータ２０の内径Ｄ４とモータロータ１６の外径ｄ４との間の隙間（Ｄ４−ｄ４）はこれらの隙間よりも小さくなる（Ｄ４−ｄ４＜Ｄ２−ｄ２＝Ｄ３−ｄ３＝Ｄ５−ｄ５＝Ｄ６−ｄ６）ようになっている。
【００２８】
この寸法差（（Ｄ２−ｄ２）−（Ｄ４−ｄ４））は、数μｍ〜数１００μｍで好ましくは５μｍ〜１００μｍ、更に好ましくは５μｍ〜５０μｍに設定されているが、直径で５μｍ以上あれば性能及び機能上、十分である。
【００２９】
なお、ロータ側タッチベアリング２６の内径Ｄ１と被支持部５６の外径ｄ１との間の隙間（Ｄ１−ｄ１）及び反ロータ側タッチベアリング２８の内径Ｄ７と被支持部５８の外径ｄ７との間の隙間（Ｄ７−ｄ７）はほぼ等しく、前述の各隙間より小さく（Ｄ１−ｄ１≒Ｄ７−ｄ７＜Ｄ２−ｄ２，Ｄ３−ｄ３，Ｄ４−ｄ４，Ｄ５−ｄ５，Ｄ６−ｄ６）設定されている。これによって、タッチベアリング２６，２８がその機能を満たすようになっている。このタッチベアリング部における隙間は、例えば０．１〜０．２ｍｍ（Ｄ１−ｄ１＝Ｄ７−ｄ７＝０．１〜０．２ｍｍ）程度であり、せいぜい１ｍｍ以下である。
【００３０】
このように、モータステータ２０の内径Ｄ４とモータロータ１６の外径ｄ４との間の隙間（Ｄ４−ｄ４）を、ラジアル磁気軸受２２，２４における各隙間よりも小さく（Ｄ４−ｄ４＜Ｄ２−ｄ２＝Ｄ３−ｄ３＝Ｄ５−ｄ５＝Ｄ６−ｄ６）設定することで、モータ１４の隙間（Ｄ４−ｄ４）を可及的に小さく設定でき、これによって、モータの効率及び性能を向上させることができ、磁気軸受装置や、それを運転制御するためのコントローラ等をコンパクトにすることができる。
ここで、ロータシャフト１２側の各部の外径（ｄ１〜ｄ７）及びステータ１８側の各部の内径（Ｄ１〜Ｄ７）は、具体的には、約２０〜６０ｍｍ程度であり、数１０ｍｍから数１００ｍｍまで適応できる。
【００３１】
この実施の形態における磁気軸受装置の具体的寸法（基準寸法）は、以下の通りである。この寸法は、あくまでも一例であり、これに限定されないことは勿論である。
Ｄ１＝３２ｍｍ
Ｄ２＝Ｄ３＝Ｄ４＝Ｄ５＝Ｄ６＝３０ｍｍ
Ｄ７＝２５ｍｍ
ｄ１＝３１．８ｍｍ
ｄ２＝ｄ３＝ｄ５＝ｄ６＝２９．７ｍｍ
ｄ４＝２９．７２ｍｍ
ｄ７＝２４．８ｍｍ
なお、ラジアル磁気軸受２２，２４における前記各隙間（Ｄ２−ｄ２，Ｄ３−ｄ３，Ｄ５−ｄ５，Ｄ６−ｄ６）の大きさには一定の制限があり、この隙間を小さくできない。これは、以下の理由による。
【００３２】
すなわち、磁気軸受２２，２４，３０が作動していない時、ロータシャフト１２はタッチベアリング２６，２８にタッチしている状態にある。つまり、地面に対してポンプを縦置きにした場合、図２（ｂ）に示すように、モータ１４を中心にしてロータシャフト１２がタッチベアリング２６，２８に対して斜めに接触する。モータ１４は、ロータシャフト１２のほぼ中心にあり、ロータシャフト１２が斜めになって、ロータシャフト１２とステータ１８との間の隙間が減少しても、この影響を受けにくい。すなわち、ロータシャフト１２が斜めになると、ロータシャフト１２の上側及び下側でロータシャフト１２とステータ１８との間の隙間ａ，ｃが減少するが、モータロータ１６とモータステータ２０との間に隙間ｂは、それ程減少しない。
【００３３】
また、ロータシャフト１２のバランスが崩れた場合、ロータシャフト１２を所定位置に保持しようとして、ラジアル電磁石３８，４６のステータ側巻線に電流が多く流れる状態になる。これにより、ラジアル電磁石３８，４６のステータ側のコアが昇温され、輻射によってラジアル電磁石３８，４６のロータシャフト側も昇温される。また、ステータ側の電流増大により、ロータシャフト１２の渦電流も増大し、より一層昇温される。これにより、ラジアル電磁石３８，４６のロータシャフト部が熱膨張し、ロータシャフト１２とステータ１８の間の隙間が減少もしくはなくなる。
【００３４】
一方、磁気軸受装置は、高速回転体を支持するものとして一般的に使用されており、高速回転するロータシャフト１２をタッチベアリング２６，２８で支持した場合、タッチベアリング２６，２８は激しく損傷を受ける。その結果、タッチベアリング２６，２８のガタ（外輪、転動体、内輪の相対的変位）が増大し、タッチベアリング２６，２８がロータシャフト１２を支持しても、ロータシャフト１２とステータ１８との間の隙間を確保できなくなり、直接接触する可能性がある。なお、タッチベアリングの改良は行われているが、ロータシャフトが高速回転（定格回転数付近）でタッチダウンした場合には、タッチベアリングの損傷が激しく、５〜１０回程度の耐久性しかないのが現状である。
【００３５】
上記の理由により、ラジアル磁気軸受２２，２４における前記各隙間（Ｄ２−ｄ２，Ｄ３−ｄ３，Ｄ５−ｄ５，Ｄ６−ｄ６）を小さくすると、磁気軸受部でロータシャフト１２がステータ１８に接触してしまう可能性がある。このため、この隙間として、一定の大きさを確保する必要がある。
【００３６】
また、タッチベアリング２６，２８が損傷を受けると、この損傷による破片などの異物が生じる。この異物がロータシャフト１２とステータ１８との間の微小な隙間に入り込むとロータシャフト１２とステータ１８がロックしてしまう可能性がある。しかし、この例のように、異物を発生しやすいタッチベアリング２６，２８の近傍、すなわち、ラジアル磁気軸受部における隙間をモータ部における隙間と比較して大きく設定することにより、異物によるロータシャフト１２のロックの可能性を低減することができる。
【００３７】
また、実際に異物が隙間に入り込んだ時でも、モータ部における微小な隙間へ異物が侵入する前にラジアル磁気軸受部で粉砕してしまい、異物を小さくしてしまうので、モータ部でロックする可能性を非常に低くすることができる。
【００３８】
なお、この実施の形態では、モータステータ２０の内径Ｄ４とモータロータ１６の外径ｄ４との間の隙間（Ｄ４−ｄ４）を、ラジアル磁気軸受２２，２４における各隙間よりも小さく（Ｄ４−ｄ４＜Ｄ２−ｄ２＝Ｄ３−ｄ３＝Ｄ５−ｄ５＝Ｄ６−ｄ６）するため、モータロータ１６の外径ｄ４をロータシャフト１２側のラジアル磁気軸受２２，２４における各外径（ｄ２，ｄ３，ｄ５，ｄ６）より大きくしているが、これらの外径を全て等しく（ｄ２＝ｄ３＝ｄ４＝ｄ５＝ｄ６）設定し、モータステータ２０の内径Ｄ４をステータ側のラジアル磁気軸受２２，２４における各内径よりも小さく（Ｄ４＜Ｄ２＝Ｄ３＝Ｄ５＝Ｄ６）するようにしてもよい。
【００３９】
図３は、図１に示す磁気軸受装置をターボ分子ポンプに適用した例を示す。このターボ分子ポンプのロータシャフト１２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Ｌ１が構成されている。また、ねじ溝部６２の外周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うねじ溝排気部Ｌ２が構成されている。このように、翼排気部Ｌ１の下流側にねじ溝排気部Ｌ２を設けることで、広い流量範囲に対応可能となっている。
【００４０】
なお、モータロータ１６の外径ｄ４がロータシャフト１２のラジアル磁気軸受２２，２４の被センサ部３２，４０の外径ｄ２，ｄ６及び被軸受部３６，４４の外径ｄ３，ｄ５より大径に設定されて、モータステータ２０とモータロータ１６との間の隙間が、ラジアル磁気軸受２２，２４における各隙間よりも小さくなっていることは前述と同様である。
【００４１】
近年、例えば半導体製造に使用される真空ポンプでは、真空排気すべきガス量が多くなるとともに、運転される圧力もガス量が多くなるに伴って高くなりつつある。そのため、真空ポンプのロータを回転させているモータも高出力が必要になっている。特に、高真空域をつくり出すターボ分子ポンプの場合、運転圧力の上昇に伴って吸気側に配設されている翼排気部での回転のための必要動力が急激に増大するため、モータの出力がより一層必要になる。しかしながら、半導体製造装置のコンパクト化、保守性向上のため真空ポンプに許容されるスペースは小さくなりつつあり、真空ポンプのコンパクト化及び性能向上が切望されている。この例によれば、モータ部の高効率化、コンパクト化により真空ポンプのコンパクト化が図れる。
【００４２】
特に、５軸形磁気軸受装置を用いた真空ポンプの場合、モータを中心にラジアル軸受が配設されているため、必然的にロータシャフトの長さが長くなり、真空ポンプの軸方向寸法が大きくなってしまう。この例によれば、モータの軸方向寸法も小さくできるので、ポンプのコンパクト化のみならず、ロータシャフトが短くなる。これにより、ロータシャフトの固有値を高く設定でき、磁気軸受の制御安定性やそれに伴う回転安定性も充分に確保することができる。
【００４３】
図４は、本発明の第２の実施の形態の磁気軸受装置を示す。この例では、ロータシャフト１２のロータ側タッチベアリング２６における被支持部５６の外径ｄ１、ロータ側ラジアル磁気軸受２２における被センサ部３２の外径ｄ２、被軸受部３６の外径ｄ３、反ロータ側ラジアル磁気軸受２４における被軸受部４４の外径ｄ５、被センサ部４０の外径ｄ６の寸法が全て等しく（ｄ１＝ｄ２＝ｄ３＝ｄ４＝ｄ５＝ｄ６）設定されている。そして、モータロータ１６の外径ｄ４がこれらの外径よりも大きく（ｄ４＞ｄ１＝ｄ２＝ｄ３＝ｄ５＝ｄ６）設定されている。
一方、ステータ１８側の各部にあっては、ロータ側ラジアル磁気軸受２２のラジアル変位センサ３４の内径Ｄ２、ラジアル電磁石３８の内径Ｄ３、モータステータ２０の内径Ｄ４、反ロータ側ラジアル磁気軸受２４のラジアル電磁石４６の内径Ｄ５及びラジアル変位センサ４２の内径Ｄ６が等しく、これらの寸法よりロータ側タッチベアリング２６の内径Ｄ１が小径に、また反ロータ側タッチベアリング２８の内径Ｄ７はより小径になる（Ｄ２＝Ｄ３＝Ｄ４＝Ｄ５＝Ｄ６＞Ｄ１＞Ｄ７）ように設定されている。これにより、前記第１の実施の形態と同様な効果の他に更に次のような効果を得ることができる。
【００４４】
ロータシャフト１２の各部の外径寸法をラジアル磁気軸受部ｄ２，ｄ３，ｄ５，ｄ６のみならずロータ側タッチベアリング２６における被支持部５６の外径ｄ１も同一にしているため、同部の加工を同時に行うことが可能となる。一般的にロータシャフトの外径部は研磨等により加工が行われるため、この実施の形態では研磨用砥石を同径寸法部にあわせて幅広く設定でき、加工性が向上する。
【００４５】
また、この実施の形態では、ロータ側タッチベアリング２６の内径Ｄ１を図１に示す第１の実施の形態より小さく設定しているので、次のような効果がある。ロータ側タッチベアリング２６の内径Ｄ１をロータシャフト１２がステータに組み立て可能な寸法の範囲で極力小さく設定することにより、ロータ側タッチベアリング２６の内輪の体積を可及的に大きくすることができる。タッチベアリングの内輪はタッチダウン時の衝撃及び回転エネルギにより発熱を生じる。ここで、内輪の体積が大きければ、内輪の熱容量を大きくすることができ、タッチダウン時のタッチベアリングの内輪の過熱を防止することができる。また、タッチベアリングの内輪の径方向寸法が大きくなることにより、内輪の剛性が高くなり、タッチダウン時の内輪軌道面の変形も小さく抑えられる。
よって、ロータシャフトがタッチベアリングにタッチダウンした際の耐久性が向上し、信頼性の高い磁気軸受装置となる。
この磁気軸受装置をターボ分子ポンプに適用した場合、図３に示すように、ロータは釣鐘状でロータシャフトにオーバーハング状態で取り付けられるのが一般的である。この場合、ロータとロータシャフトの全体の重心位置がロータ側タッチベアリングの近傍になり、ロータ側タッチベアリングは高い負荷能力を必要とするため、上述の実施の形態が非常に有効である。
【００４６】
図５は、本発明の第３の実施の形態の磁気軸受装置を示す。この例では、ロータシャフト１２側の各部にあっては、ロータシャフト１２のロータ側タッチベアリング２６における被支持部５６の外径ｄ１、ロータ側ラジアル磁気軸受２２における被センサ部３２の外径ｄ２、被軸受部３６の外径ｄ３、反ロータ側ラジアル磁気軸受２４における被軸受部４４の外径ｄ５、被センサ部４０の外径ｄ６及び反ロータ側タッチベアリング２８における被支持部５８の外径ｄ７が、（ｄ１＞ｄ２＞ｄ３＞ｄ５＞ｄ６＞ｄ７）の関係となるようになっている。
【００４７】
一方、ステータ１８側の各部にあっては、ロータ側タッチベアリング２６の内径Ｄ１、ロータ側ラジアル磁気軸受２２のラジアル変位センサ３４の内径Ｄ２、ラジアル電磁石３８の内径Ｄ３、モータステータ２０の内径Ｄ４、反ロータ側ラジアル磁気軸受２４のラジアル電磁石４６の内径Ｄ５、ラジアル変位センサ４２の内径Ｄ６、及び反ロータ側タッチベアリング２８の内径Ｄ７が、（Ｄ１＝Ｄ２＞Ｄ３＞Ｄ４＞Ｄ５＞Ｄ６＞Ｄ７）の関係となっている。
【００４８】
そして、モータロータ１６の外径ｄ４は、これとモータステータ２０の内径Ｄ４との間の隙間（Ｄ４−ｄ４）が、ロータ側ラジアル磁気軸受２２のラジアル変位センサ３４の内径Ｄ２と被センサ部３２の外径ｄ２との間の隙間（Ｄ２−ｄ２）、ラジアル電磁石３８の内径Ｄ３と被軸受部３６の外径ｄ３との間の隙間（Ｄ３−ｄ３）、反ロータ側ラジアル磁気軸受２４のラジアル電磁石４６の内径Ｄ５と被軸受部４４の外径ｄ５との間の隙間（Ｄ５−ｄ５）、ラジアル変位センサ４２の内径Ｄ６と被センサ部４０の外径ｄ６との間の隙間（Ｄ６−ｄ６）よりも小さくなる（Ｄ４−ｄ４＜Ｄ２−ｄ２，Ｄ３−ｄ３，Ｄ５−ｄ５，Ｄ６−ｄ６）ように設定されている。
【００４９】
なお、タッチベアリング２６，２８における各隙間（Ｄ１−ｄ１，Ｄ７−ｄ７）は前述と同様である。
このように構成しても前記第１の実施の形態と同様な効果を得ることができる。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、モータのコンパクト化を図りつつ、モータとしての効率及び性能を向上させることができる。これにより、必然的にロータシャフトの軸方向寸法が長くなる５軸形磁気軸受装置においては、ロータシャフトの軸方向寸法を小さくしてよりコンパクト化を図るとともに、磁気軸受の支持及びモータによる回転の安定を確保することができる。また、本磁気軸受装置のコンパクト化により、同装置を使った真空ポンプ等の大きさも小さくできるとともに、排気性能の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の磁気軸受装置の断面図である。
【図２】（ａ）は、図１に示す磁気軸受装置において、ロータシャフトを磁気軸受で支承している時の状態を、（ｂ）は、ロータシャフトを磁気軸受で支承していない時の状態をそれぞれ模式的に示す断面図である。
【図３】図１に示す磁気軸受装置を備えたターボ分子ポンプの断面図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態の磁気軸受装置の断面図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態の磁気軸受装置の断面である。
【図６】従来の磁気軸受装置の断面図である。
【符号の説明】
１０ ロータ
１２ ロータシャフト
１４ モータ
１６ モータロータ
１８ ステータ
２０ モータステータ
２２，２４ ラジアル磁気軸受
２６，２８ タッチベアリング
３０ アキシャル磁気軸受
３２，４０ 被センサ部
３４，４２ ラジアル変位センサ
３６，４４ 被軸受部
３８，４６ ラジアル電磁石
５０ アキシャルディスク
５２ アキシャル変位センサ
５４ アキシャル電磁石
５６，５８ 被支持部
６０ 回転翼
６２ ねじ溝部
６４ ロータ（羽根車）
６６ ポンプケーシング
６８ 固定翼
７０ ねじ溝部スペーサ
Ｌ１ 翼排気部
Ｌ２ ねじ溝排気部
【発明の属する技術分野】
本発明は、羽根車等のロータを回転駆動するロータシャフトを非接触で５軸に軸支する磁気軸受装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、高速回転するロータにより気体の排気を行うターボ分子ポンプにあっては、ロータを回転駆動するロータシャフトを２個のラジアル磁気軸受と１個のアキシャル磁気軸受とを有する磁気軸受装置で５軸制御可能に浮上軸支することが広く行われている。
【０００３】
図６は、ラジアル磁気軸受として能動形磁気軸受を使用した、この種の磁気軸受装置の従来の一般的な構成を示すもので、この磁気軸受装置は、一端に羽根車等のロータ１０を固着したロータシャフト１２の回転を除く５自由度の５軸方向を能動制御するようにしたものである。
【０００４】
すなわち、ロータシャフト１２のほぼ中央には、モータ１４を構成するモータロータ１６が固着され、ステータ１８の該モータロータ１６と対向する位置には、モータ１４を構成するモータステータ２０が配置されている。このモータ１４を挟んでロータシャフト１２の上下には、ロータ側ラジアル磁気軸受２２と反ロータ側ラジアル磁気軸受２４が設けられ、更にその外側にロータ側タッチベアリング２６と反ロータ側タッチベアリング２８が設けられている。そして、ロータシャフト１２の反ロータ側下端にアキシャル磁気軸受３０が配置されている。
【０００５】
ロータ側ラジアル磁気軸受２２は、ロータシャフト１２の互いに対面する被センサ部３２を介してロータシャフト１２のラジアル変位を検出するラジアル変位センサ３４と、ロータシャフト１２の互いに対面する被軸受部３６を介してロータシャフト１２をラジアル方向に支持するラジアル電磁石３８とを有している。そして、ラジアル変位センサ３４によるロータシャフト１２のラジアル変位の検出量に基づき、ラジアル電磁石３８の磁気力をロータシャフト１２が対向した一対のラジアル変位センサ３４の中心付近にくるように制御するようになっている。
【０００６】
反ロータ側ラジアル磁気軸受２４も同様に、ロータシャフト１２の被センサ部４０を介してロータシャフト１２のラジアル変位を検出するラジアル変位センサ４２と、ロータシャフト１２の被軸受部４４を介してロータシャフト１２をラジアル方向に支持するラジアル電磁石４６とを有しており、その作用は前述と同様である。
【０００７】
一方、アキシャル磁気軸受３０は、ロータシャフト１２の下端に着脱自在に繋着されるアキシャルディスク５０と、このアキシャルディスク５０を介してロータシャフト１２のアキシャル変位を検出するアキシャル変位センサ５２と、アキシャルディスク５０を挟んで上下に配置されたアキシャル電磁石５４とを有している。そして、アキシャル変位センサ５２によるロータシャフト１２のアキシャル変位の検出量に基づき、アキシャル電磁石５４の磁気力をアキシャルディスク５０が所定の位置にくるように制御するようになっている。
【０００８】
ここで、ロータシャフト１２の径寸法は、組立上、ロータ側から反ロータ側に向かう程、徐々に小径となるか、若しくは同じ寸法に設定されている。つまり、ロータシャフト１２のロータ側タッチベアリング２６における被支持部５６の外径ｄ１、ロータ側ラジアル磁気軸受２２における被センサ部３２の外径ｄ２、被軸受部３６の外径ｄ３、モータロータ１６の外径ｄ４、反ロータ側ラジアル磁気軸受２４における被軸受部４４の外径ｄ５、被センサ部４０の外径ｄ６及び反ロータ側タッチベアリング２８における被支持部５８の外径ｄ７が、（ｄ１≧ｄ２≧ｄ３≧ｄ４≧ｄ５≧ｄ６≧ｄ７）の関係となるようになっている。この例にあっては、ロータ側タッチベアリング２６における被支持部５６の外径ｄ１及び反ロータ側タッチベアリング２８における被支持部５８の外径ｄ７を除くこれらの寸法は全て等しく（ｄ２＝ｄ３＝ｄ４＝ｄ５＝ｄ６）設定されている。
【０００９】
一方、ロータシャフト１２に対面するように配置されたステータ１８側の各部の内径は、組立上、ロータから反ロータ側に向かう程、徐々に小径となるか、若しくは同じ寸法に設定されている。つまり、ロータ側タッチベアリング２６の内径Ｄ１、ロータ側ラジアル磁気軸受２２のラジアル変位センサ３４の内径Ｄ２、ラジアル電磁石３８の内径Ｄ３、モータステータ２０の内径Ｄ４、反ロータ側ラジアル磁気軸受２４のラジアル電磁石４６の内径Ｄ５、ラジアル変位センサ４２の内径Ｄ６及び反ロータ側タッチベアリング２８の内径Ｄ７が、（Ｄ１≧Ｄ２≧Ｄ３≧Ｄ４≧Ｄ５≧Ｄ６≧Ｄ７）の関係となるようになっている。この例にあっては、ロータ側タッチベアリング２６の内径Ｄ１及び反ロータ側タッチベアリング２８の内径Ｄ７を除くこれらの寸法は全て等しく（Ｄ２＝Ｄ３＝Ｄ４＝Ｄ５＝Ｄ６）設定されている。
【００１０】
なお、組立可能な範囲であれば、Ｄ１＜Ｄ２の場合もあり得る。このような構成の磁気軸受装置でロータシャフトとステータの組立は、ロータシャフトにロータを組み付けた状態でロータシャフトとステータの組立が行われる。
【００１１】
ここで、タッチベアリング２６，２８は、ロータシャフト１２を磁気軸受２２，２４，３０で支承しない時に、ロータシャフト１２やモータロータ１６が、ステータ１８と直接接触しないようにロータシャフト１２を保持する役目がある。このため、磁気軸受２２，２４，３０の磁気力や、ロータシャフト１２及びモータロータ１６とステータ１８の各部との間の隙間を考慮して、ロータシャフト１２との間の隙間と位置が設定されている。また、機能上、ロータシャフト１２とタッチベアリング２６，２８の内輪部とのラジアル方向及びアキシャル方向の隙間は、それぞれの磁気軸受２２，２４，３０及びモータ１４の隙間より小さく設定されている。厳密には、ロータシャフト１２を磁気軸受２２，２４，３０で支承させない状態から、各磁気軸受２２，２４，３０で支承する際の立ち上げのため、またはロータシャフト１２のバランスが崩れたときの条件や、ロータシャフト１２の回転の負荷が増大したときの条件等を考慮して設定されている。
【００１２】
なお、この例では、ラジアル磁気軸受として、能動形磁気軸受を使用した例を示しているが、永久磁石等を用いた受動形磁気軸受で４軸方向の任意の軸数を支承することも広く行われている。
【００１３】
このような磁気軸受装置において、ロータ側タッチベアリング２６の内径Ｄ１と被支持部５６の外径ｄ１との間の隙間（Ｄ１−ｄ１）、ロータ側ラジアル磁気軸受２２のラジアル変位センサ３４の内径Ｄ２と被センサ部３２の外径ｄ２との間の隙間（Ｄ２−ｄ２）、ラジアル電磁石３８の内径Ｄ３と被軸受部３６の外径ｄ３との間の隙間（Ｄ３−ｄ３）、モータステータ２０の内径Ｄ４とモータロータ１６の外径ｄ４との間の隙間（Ｄ４−ｄ４）、反ロータ側ラジアル磁気軸受２４のラジアル電磁石４６の内径Ｄ５と被軸受部４４の外径ｄ５との間の隙間（Ｄ５−ｄ５）、ラジアル変位センサ４２の内径Ｄ６と被センサ部４０の外径ｄ６との間の隙間（Ｄ６−ｄ６）及び反ロータ側タッチベアリング２８の内径Ｄ７と被支持部５８の外径ｄ７との間の隙間（Ｄ７−ｄ７）は、それぞれ性能・機能を考慮して、非常に微小な寸法（約０．１〜０．５ｍｍ）に設定されている。
【００１４】
また、加工や組立等の生産性の観点から、前述のように、ロータシャフト１２側の磁気軸受部やモータ部の外径（ｄ２〜ｄ６）を同径として、これらに対面するステータ１８側の各部の内径（Ｄ２〜Ｄ６）を同径に構成するのが一般的である。これによって、ステータ側の各部の内径（Ｄ２〜Ｄ６）とロータシャフト側の各部の外径（ｄ２〜ｄ６）との間の隙間（Ｄ２−ｄ２〜Ｄ６−ｄ６）は一定となり、また、これら隙間（Ｄ２−ｄ２〜Ｄ６−ｄ６）が、タッチベアリング２６，２８の内径Ｄ１，Ｄ７とロータシャフト１２の被支持部５６，５８の外径ｄ１，ｄ７との間の隙間、いわゆるタッチベアリング隙間（Ｄ１−ｄ１，Ｄ７−ｄ７）より大きくなるように設定されている。
【００１５】
一方、ロータシャフト１２のラジアル磁気軸受部における各部の外径（ｄ２〜ｄ６）が同径でない場合でも、組立上、前述のように、これらの外径が（ｄ２＞ｄ３＞ｄ４＞ｄ５＞ｄ６ ）なる条件で構成される場合には、磁気軸受部やモータ部におけるロータとステータとの間の各隙間が一定となるように、ステータ側の各部の内径も（Ｄ２＞Ｄ３＞Ｄ４＞Ｄ５＞Ｄ６）なる関係で構成されるのが一般的である。これは、タッチベアリング隙間（Ｄ１−ｄ１，Ｄ７−ｄ７）と、ラジアル磁気軸受部やモータ部におけるロータシャフト側の各部の外径とステータ側の各部の内径との間の隙間（Ｄ２−ｄ２〜Ｄ６−ｄ６）の差を一定に保ち、ロータシャフト１２をタッチベアリング２６，２８で支持した時にロータシャフト１２とステータ１８とが接触しないようにするための、いわゆる“ニゲ”を任意の箇所で同一にするという考えによる。
【００１６】
ここで、最近の磁気軸受技術の発展は目覚ましく、耐熱性が高くかつ大電流容量のコイル巻線の開発や、電磁石や誘導型センサのコアになる磁性材料の改良等により、電磁石の改良や変位センサの改良が図られる一方、永久磁石の改良も行われている。これにより、隙間を従来のままで能力を大幅に向上させた磁気軸受が開発されている。
【００１７】
また、モータ部においては、力率改善回路の採用や、誘導型から効率のよい直流型モータの採用による効率の改良が行われているが、近年の真空ポンプに対する要求、すなわち、▲１▼高い圧力での運転、▲２▼多くのガス量の排気、▲３▼ポンプのコンパクト化、を実現させるためには、モータ部の性能向上が必須である。特に近年、ターボ分子ポンプのコンパクト化と性能向上を図るために、ロータシャフトを極力細くするようになっている。こうすれば、磁気軸受部やロータ（羽根車）をコンパクト化することができる。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、モータの性能は、モータのロータとステータとの対面部の面積やロータとステータとの間の隙間等の設計パラメータによるところが大きい。このため、ロータシャフトを細くすると必然的にモータ部の軸方向寸法、ひいてはロータシャフトの軸方向寸法を大きくとる必要があり、それに伴い、ポンプが大きく（長く）なって、コンパクト化の障害になるという問題があった。またモータ部におけるロータとステータとの間の隙間は、前述のように、磁気軸受部におけるロータとステータとの間の隙間と同一に設定されていたため、モータの効率が悪く、モータを駆動させるためのモータドライバも大きくなってしまうという問題があった。
【００１９】
本発明は、上記事情に鑑みて為されたもので、磁気軸受と一体になったモータのコンパクト化を図りつつモータとしての効率と性能を向上させ、これによって、ポンプ等の磁気軸受装置を組み込んだ製品や、それを駆動及び制御するコントローラのコンパクト化を実現できるようにした磁気軸受装置を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、モータロータと一体に回転するロータシャフトを、該モータロータを挟んだ位置に配置されるロータ側ラジアル磁気軸受と反ロータ側ラジアル磁気軸受の２個のラジアル磁気軸受と１個のアキシャル磁気軸受により浮上軸支し、該ロータ側ラジアル磁気軸受及び反ロータ側ラジアル磁気軸受の外側にロータ側タッチベアリング及び反ロータ側タッチベアリングを配置した５軸形磁気軸受装置において、前記ロータ側ラジアル磁気軸受として能動形磁気軸受を使用し、前記モータロータの外径と該モータロータと対面するモータステータの内径との間の隙間を、前記能動形磁気軸受のラジアル変位センサの内径と該変位センサに対面するロータシャフトの被センサ部の外径との間の隙間、及び前記能動形磁気軸受のラジアル電磁石の内径と該電磁石に対面するロータシャフトの被軸受部の外径との間の隙間より小さく設定し、前記能動型磁気軸受の前記ラジアル変位センサ及び前記ラジアル電磁石、並びに前記ロータ側タッチベアリングの内径を、前記ロータシャフトの前記被センサ部及び前記被軸受部、並びに前記モータロータの外径より大きく設定したことを特徴とする磁気軸受装置である。
【００２１】
これにより、モータの効率を向上させて、モータ部及び／又はモータドライバ部のコンパクト化を図り、結果的に磁気軸受装置全体のコンパクト化を実現することができる。
【００２２】
つまり、モータのロータとステータとの間の隙間での磁束密度とモータで発生するトルクには次のような関係がある。
Ｔ＝Ｋ１・Ｂ・Ｉ
ここに、Ｔ：モータで発生するトルク
Ｋ１：係数
Ｂ：ロータとステータとの間の隙間での磁束密度
Ｉ：モータステータ巻線部の電流
また、ロータとステータ間の磁束密度とロータとステータとの間の隙間には次のような関係がある。
Ｂ＝Ｋ２／δ
ここに、Ｋ２：係数、
δ：ロータとステータの隙間
従って、モータのロータとステータとの間の隙間を可及的に小さく設定することにより、モータで発生するトルクを大きくすることができる。
【００２３】
請求項２に記載の発明は、前記ロータシャフトに真空ポンプのロータを連結したことを特徴とする請求項１に記載の磁気軸受装置である。
これにより、特に、真空ポンプの軸方向寸法（高さ寸法）を小さくして、真空ポンプのコンパクト化を図るとともに、ポンプの運転可能範囲（ポンプの許容排気ガス量やポンプの運転可能圧力の範囲）を広くとることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１乃至図５を参照して説明する。なお、図６に示す従来例と同一部材には同一符号を付してその説明を一部省略する。
【００２５】
図１及び図２は、図６に示す従来例と同様に、ラジアル磁気軸受として能動形磁気軸受を使用した本発明の第１の実施の形態の磁気軸受装置を示す。これは、ロータシャフト１２側の各部にあっては、ロータシャフト１２のロータ側タッチベアリング２６における被支持部５６の外径ｄ１、ロータ側ラジアル磁気軸受２２における被センサ部３２の外径ｄ２、被軸受部３６の外径ｄ３、反ロータ側ラジアル磁気軸受２４における被軸受部４４の外径ｄ５、被センサ部４０の外径ｄ６及び反ロータ側タッチベアリング２８における被支持部５８の外径ｄ７が、（ｄ１≧ｄ２≧ｄ３≧ｄ５≧ｄ６≧ｄ７）の関係となるようになっている。この例にあっては、ロータ側タッチベアリング２６における被支持部５６の外径ｄ１及び反ロータ側タッチベアリング２８における被支持部５８の外径ｄ７を除くこれらの寸法は全て等しく（ｄ２＝ｄ３＝ｄ５＝ｄ６）設定されている。そして、モータロータ１６の外径ｄ４がこれらの外径よりも大きく（ｄ４＞ｄ２＝ｄ３＝ｄ５＝ｄ６）設定されている。
【００２６】
一方、ステータ１８側の各部にあっては、ロータ側ラジアル磁気軸受２２のラジアル変位センサ３４の内径Ｄ２、ラジアル電磁石３８の内径Ｄ３、モータステータ２０の内径Ｄ４、反ロータ側ラジアル磁気軸受２４のラジアル電磁石４６の内径Ｄ５及びラジアル変位センサ４２の内径Ｄ６が等しく、ロータ側タッチベアリング２６の内径Ｄ１が等しいか又は大きく、反ロータ側タッチベアリング２８の内径Ｄ７のみが小径となる（Ｄ１≧Ｄ２＝Ｄ３＝Ｄ４＝Ｄ５＝Ｄ６＞Ｄ７）ように設定されている。
【００２７】
これにより、ロータ側ラジアル磁気軸受２２のラジアル変位センサ３４の内径Ｄ２と被センサ部３２の外径ｄ２との間の隙間（Ｄ２−ｄ２）、ラジアル電磁石３８の内径Ｄ３と被軸受部３６の外径ｄ３との間の隙間（Ｄ３−ｄ３）、反ロータ側ラジアル磁気軸受２４のラジアル電磁石４６の内径Ｄ５と被軸受部４４の外径ｄ５との間の隙間（Ｄ５−ｄ５）、ラジアル変位センサ４２の内径Ｄ６と被センサ部４０の外径ｄ６との間の隙間（Ｄ６−ｄ６）は等しく（Ｄ２−ｄ２＝Ｄ３−ｄ３＝Ｄ５−ｄ５＝Ｄ６−ｄ６）、モータステータ２０の内径Ｄ４とモータロータ１６の外径ｄ４との間の隙間（Ｄ４−ｄ４）はこれらの隙間よりも小さくなる（Ｄ４−ｄ４＜Ｄ２−ｄ２＝Ｄ３−ｄ３＝Ｄ５−ｄ５＝Ｄ６−ｄ６）ようになっている。
【００２８】
この寸法差（（Ｄ２−ｄ２）−（Ｄ４−ｄ４））は、数μｍ〜数１００μｍで好ましくは５μｍ〜１００μｍ、更に好ましくは５μｍ〜５０μｍに設定されているが、直径で５μｍ以上あれば性能及び機能上、十分である。
【００２９】
なお、ロータ側タッチベアリング２６の内径Ｄ１と被支持部５６の外径ｄ１との間の隙間（Ｄ１−ｄ１）及び反ロータ側タッチベアリング２８の内径Ｄ７と被支持部５８の外径ｄ７との間の隙間（Ｄ７−ｄ７）はほぼ等しく、前述の各隙間より小さく（Ｄ１−ｄ１≒Ｄ７−ｄ７＜Ｄ２−ｄ２，Ｄ３−ｄ３，Ｄ４−ｄ４，Ｄ５−ｄ５，Ｄ６−ｄ６）設定されている。これによって、タッチベアリング２６，２８がその機能を満たすようになっている。このタッチベアリング部における隙間は、例えば０．１〜０．２ｍｍ（Ｄ１−ｄ１＝Ｄ７−ｄ７＝０．１〜０．２ｍｍ）程度であり、せいぜい１ｍｍ以下である。
【００３０】
このように、モータステータ２０の内径Ｄ４とモータロータ１６の外径ｄ４との間の隙間（Ｄ４−ｄ４）を、ラジアル磁気軸受２２，２４における各隙間よりも小さく（Ｄ４−ｄ４＜Ｄ２−ｄ２＝Ｄ３−ｄ３＝Ｄ５−ｄ５＝Ｄ６−ｄ６）設定することで、モータ１４の隙間（Ｄ４−ｄ４）を可及的に小さく設定でき、これによって、モータの効率及び性能を向上させることができ、磁気軸受装置や、それを運転制御するためのコントローラ等をコンパクトにすることができる。
ここで、ロータシャフト１２側の各部の外径（ｄ１〜ｄ７）及びステータ１８側の各部の内径（Ｄ１〜Ｄ７）は、具体的には、約２０〜６０ｍｍ程度であり、数１０ｍｍから数１００ｍｍまで適応できる。
【００３１】
この実施の形態における磁気軸受装置の具体的寸法（基準寸法）は、以下の通りである。この寸法は、あくまでも一例であり、これに限定されないことは勿論である。
Ｄ１＝３２ｍｍ
Ｄ２＝Ｄ３＝Ｄ４＝Ｄ５＝Ｄ６＝３０ｍｍ
Ｄ７＝２５ｍｍ
ｄ１＝３１．８ｍｍ
ｄ２＝ｄ３＝ｄ５＝ｄ６＝２９．７ｍｍ
ｄ４＝２９．７２ｍｍ
ｄ７＝２４．８ｍｍ
なお、ラジアル磁気軸受２２，２４における前記各隙間（Ｄ２−ｄ２，Ｄ３−ｄ３，Ｄ５−ｄ５，Ｄ６−ｄ６）の大きさには一定の制限があり、この隙間を小さくできない。これは、以下の理由による。
【００３２】
すなわち、磁気軸受２２，２４，３０が作動していない時、ロータシャフト１２はタッチベアリング２６，２８にタッチしている状態にある。つまり、地面に対してポンプを縦置きにした場合、図２（ｂ）に示すように、モータ１４を中心にしてロータシャフト１２がタッチベアリング２６，２８に対して斜めに接触する。モータ１４は、ロータシャフト１２のほぼ中心にあり、ロータシャフト１２が斜めになって、ロータシャフト１２とステータ１８との間の隙間が減少しても、この影響を受けにくい。すなわち、ロータシャフト１２が斜めになると、ロータシャフト１２の上側及び下側でロータシャフト１２とステータ１８との間の隙間ａ，ｃが減少するが、モータロータ１６とモータステータ２０との間に隙間ｂは、それ程減少しない。
【００３３】
また、ロータシャフト１２のバランスが崩れた場合、ロータシャフト１２を所定位置に保持しようとして、ラジアル電磁石３８，４６のステータ側巻線に電流が多く流れる状態になる。これにより、ラジアル電磁石３８，４６のステータ側のコアが昇温され、輻射によってラジアル電磁石３８，４６のロータシャフト側も昇温される。また、ステータ側の電流増大により、ロータシャフト１２の渦電流も増大し、より一層昇温される。これにより、ラジアル電磁石３８，４６のロータシャフト部が熱膨張し、ロータシャフト１２とステータ１８の間の隙間が減少もしくはなくなる。
【００３４】
一方、磁気軸受装置は、高速回転体を支持するものとして一般的に使用されており、高速回転するロータシャフト１２をタッチベアリング２６，２８で支持した場合、タッチベアリング２６，２８は激しく損傷を受ける。その結果、タッチベアリング２６，２８のガタ（外輪、転動体、内輪の相対的変位）が増大し、タッチベアリング２６，２８がロータシャフト１２を支持しても、ロータシャフト１２とステータ１８との間の隙間を確保できなくなり、直接接触する可能性がある。なお、タッチベアリングの改良は行われているが、ロータシャフトが高速回転（定格回転数付近）でタッチダウンした場合には、タッチベアリングの損傷が激しく、５〜１０回程度の耐久性しかないのが現状である。
【００３５】
上記の理由により、ラジアル磁気軸受２２，２４における前記各隙間（Ｄ２−ｄ２，Ｄ３−ｄ３，Ｄ５−ｄ５，Ｄ６−ｄ６）を小さくすると、磁気軸受部でロータシャフト１２がステータ１８に接触してしまう可能性がある。このため、この隙間として、一定の大きさを確保する必要がある。
【００３６】
また、タッチベアリング２６，２８が損傷を受けると、この損傷による破片などの異物が生じる。この異物がロータシャフト１２とステータ１８との間の微小な隙間に入り込むとロータシャフト１２とステータ１８がロックしてしまう可能性がある。しかし、この例のように、異物を発生しやすいタッチベアリング２６，２８の近傍、すなわち、ラジアル磁気軸受部における隙間をモータ部における隙間と比較して大きく設定することにより、異物によるロータシャフト１２のロックの可能性を低減することができる。
【００３７】
また、実際に異物が隙間に入り込んだ時でも、モータ部における微小な隙間へ異物が侵入する前にラジアル磁気軸受部で粉砕してしまい、異物を小さくしてしまうので、モータ部でロックする可能性を非常に低くすることができる。
【００３８】
なお、この実施の形態では、モータステータ２０の内径Ｄ４とモータロータ１６の外径ｄ４との間の隙間（Ｄ４−ｄ４）を、ラジアル磁気軸受２２，２４における各隙間よりも小さく（Ｄ４−ｄ４＜Ｄ２−ｄ２＝Ｄ３−ｄ３＝Ｄ５−ｄ５＝Ｄ６−ｄ６）するため、モータロータ１６の外径ｄ４をロータシャフト１２側のラジアル磁気軸受２２，２４における各外径（ｄ２，ｄ３，ｄ５，ｄ６）より大きくしているが、これらの外径を全て等しく（ｄ２＝ｄ３＝ｄ４＝ｄ５＝ｄ６）設定し、モータステータ２０の内径Ｄ４をステータ側のラジアル磁気軸受２２，２４における各内径よりも小さく（Ｄ４＜Ｄ２＝Ｄ３＝Ｄ５＝Ｄ６）するようにしてもよい。
【００３９】
図３は、図１に示す磁気軸受装置をターボ分子ポンプに適用した例を示す。このターボ分子ポンプのロータシャフト１２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Ｌ１が構成されている。また、ねじ溝部６２の外周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うねじ溝排気部Ｌ２が構成されている。このように、翼排気部Ｌ１の下流側にねじ溝排気部Ｌ２を設けることで、広い流量範囲に対応可能となっている。
【００４０】
なお、モータロータ１６の外径ｄ４がロータシャフト１２のラジアル磁気軸受２２，２４の被センサ部３２，４０の外径ｄ２，ｄ６及び被軸受部３６，４４の外径ｄ３，ｄ５より大径に設定されて、モータステータ２０とモータロータ１６との間の隙間が、ラジアル磁気軸受２２，２４における各隙間よりも小さくなっていることは前述と同様である。
【００４１】
近年、例えば半導体製造に使用される真空ポンプでは、真空排気すべきガス量が多くなるとともに、運転される圧力もガス量が多くなるに伴って高くなりつつある。そのため、真空ポンプのロータを回転させているモータも高出力が必要になっている。特に、高真空域をつくり出すターボ分子ポンプの場合、運転圧力の上昇に伴って吸気側に配設されている翼排気部での回転のための必要動力が急激に増大するため、モータの出力がより一層必要になる。しかしながら、半導体製造装置のコンパクト化、保守性向上のため真空ポンプに許容されるスペースは小さくなりつつあり、真空ポンプのコンパクト化及び性能向上が切望されている。この例によれば、モータ部の高効率化、コンパクト化により真空ポンプのコンパクト化が図れる。
【００４２】
特に、５軸形磁気軸受装置を用いた真空ポンプの場合、モータを中心にラジアル軸受が配設されているため、必然的にロータシャフトの長さが長くなり、真空ポンプの軸方向寸法が大きくなってしまう。この例によれば、モータの軸方向寸法も小さくできるので、ポンプのコンパクト化のみならず、ロータシャフトが短くなる。これにより、ロータシャフトの固有値を高く設定でき、磁気軸受の制御安定性やそれに伴う回転安定性も充分に確保することができる。
【００４３】
図４は、本発明の第２の実施の形態の磁気軸受装置を示す。この例では、ロータシャフト１２のロータ側タッチベアリング２６における被支持部５６の外径ｄ１、ロータ側ラジアル磁気軸受２２における被センサ部３２の外径ｄ２、被軸受部３６の外径ｄ３、反ロータ側ラジアル磁気軸受２４における被軸受部４４の外径ｄ５、被センサ部４０の外径ｄ６の寸法が全て等しく（ｄ１＝ｄ２＝ｄ３＝ｄ４＝ｄ５＝ｄ６）設定されている。そして、モータロータ１６の外径ｄ４がこれらの外径よりも大きく（ｄ４＞ｄ１＝ｄ２＝ｄ３＝ｄ５＝ｄ６）設定されている。
一方、ステータ１８側の各部にあっては、ロータ側ラジアル磁気軸受２２のラジアル変位センサ３４の内径Ｄ２、ラジアル電磁石３８の内径Ｄ３、モータステータ２０の内径Ｄ４、反ロータ側ラジアル磁気軸受２４のラジアル電磁石４６の内径Ｄ５及びラジアル変位センサ４２の内径Ｄ６が等しく、これらの寸法よりロータ側タッチベアリング２６の内径Ｄ１が小径に、また反ロータ側タッチベアリング２８の内径Ｄ７はより小径になる（Ｄ２＝Ｄ３＝Ｄ４＝Ｄ５＝Ｄ６＞Ｄ１＞Ｄ７）ように設定されている。これにより、前記第１の実施の形態と同様な効果の他に更に次のような効果を得ることができる。
【００４４】
ロータシャフト１２の各部の外径寸法をラジアル磁気軸受部ｄ２，ｄ３，ｄ５，ｄ６のみならずロータ側タッチベアリング２６における被支持部５６の外径ｄ１も同一にしているため、同部の加工を同時に行うことが可能となる。一般的にロータシャフトの外径部は研磨等により加工が行われるため、この実施の形態では研磨用砥石を同径寸法部にあわせて幅広く設定でき、加工性が向上する。
【００４５】
また、この実施の形態では、ロータ側タッチベアリング２６の内径Ｄ１を図１に示す第１の実施の形態より小さく設定しているので、次のような効果がある。ロータ側タッチベアリング２６の内径Ｄ１をロータシャフト１２がステータに組み立て可能な寸法の範囲で極力小さく設定することにより、ロータ側タッチベアリング２６の内輪の体積を可及的に大きくすることができる。タッチベアリングの内輪はタッチダウン時の衝撃及び回転エネルギにより発熱を生じる。ここで、内輪の体積が大きければ、内輪の熱容量を大きくすることができ、タッチダウン時のタッチベアリングの内輪の過熱を防止することができる。また、タッチベアリングの内輪の径方向寸法が大きくなることにより、内輪の剛性が高くなり、タッチダウン時の内輪軌道面の変形も小さく抑えられる。
よって、ロータシャフトがタッチベアリングにタッチダウンした際の耐久性が向上し、信頼性の高い磁気軸受装置となる。
この磁気軸受装置をターボ分子ポンプに適用した場合、図３に示すように、ロータは釣鐘状でロータシャフトにオーバーハング状態で取り付けられるのが一般的である。この場合、ロータとロータシャフトの全体の重心位置がロータ側タッチベアリングの近傍になり、ロータ側タッチベアリングは高い負荷能力を必要とするため、上述の実施の形態が非常に有効である。
【００４６】
図５は、本発明の第３の実施の形態の磁気軸受装置を示す。この例では、ロータシャフト１２側の各部にあっては、ロータシャフト１２のロータ側タッチベアリング２６における被支持部５６の外径ｄ１、ロータ側ラジアル磁気軸受２２における被センサ部３２の外径ｄ２、被軸受部３６の外径ｄ３、反ロータ側ラジアル磁気軸受２４における被軸受部４４の外径ｄ５、被センサ部４０の外径ｄ６及び反ロータ側タッチベアリング２８における被支持部５８の外径ｄ７が、（ｄ１＞ｄ２＞ｄ３＞ｄ５＞ｄ６＞ｄ７）の関係となるようになっている。
【００４７】
一方、ステータ１８側の各部にあっては、ロータ側タッチベアリング２６の内径Ｄ１、ロータ側ラジアル磁気軸受２２のラジアル変位センサ３４の内径Ｄ２、ラジアル電磁石３８の内径Ｄ３、モータステータ２０の内径Ｄ４、反ロータ側ラジアル磁気軸受２４のラジアル電磁石４６の内径Ｄ５、ラジアル変位センサ４２の内径Ｄ６、及び反ロータ側タッチベアリング２８の内径Ｄ７が、（Ｄ１＝Ｄ２＞Ｄ３＞Ｄ４＞Ｄ５＞Ｄ６＞Ｄ７）の関係となっている。
【００４８】
そして、モータロータ１６の外径ｄ４は、これとモータステータ２０の内径Ｄ４との間の隙間（Ｄ４−ｄ４）が、ロータ側ラジアル磁気軸受２２のラジアル変位センサ３４の内径Ｄ２と被センサ部３２の外径ｄ２との間の隙間（Ｄ２−ｄ２）、ラジアル電磁石３８の内径Ｄ３と被軸受部３６の外径ｄ３との間の隙間（Ｄ３−ｄ３）、反ロータ側ラジアル磁気軸受２４のラジアル電磁石４６の内径Ｄ５と被軸受部４４の外径ｄ５との間の隙間（Ｄ５−ｄ５）、ラジアル変位センサ４２の内径Ｄ６と被センサ部４０の外径ｄ６との間の隙間（Ｄ６−ｄ６）よりも小さくなる（Ｄ４−ｄ４＜Ｄ２−ｄ２，Ｄ３−ｄ３，Ｄ５−ｄ５，Ｄ６−ｄ６）ように設定されている。
【００４９】
なお、タッチベアリング２６，２８における各隙間（Ｄ１−ｄ１，Ｄ７−ｄ７）は前述と同様である。
このように構成しても前記第１の実施の形態と同様な効果を得ることができる。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、モータのコンパクト化を図りつつ、モータとしての効率及び性能を向上させることができる。これにより、必然的にロータシャフトの軸方向寸法が長くなる５軸形磁気軸受装置においては、ロータシャフトの軸方向寸法を小さくしてよりコンパクト化を図るとともに、磁気軸受の支持及びモータによる回転の安定を確保することができる。また、本磁気軸受装置のコンパクト化により、同装置を使った真空ポンプ等の大きさも小さくできるとともに、排気性能の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の磁気軸受装置の断面図である。
【図２】（ａ）は、図１に示す磁気軸受装置において、ロータシャフトを磁気軸受で支承している時の状態を、（ｂ）は、ロータシャフトを磁気軸受で支承していない時の状態をそれぞれ模式的に示す断面図である。
【図３】図１に示す磁気軸受装置を備えたターボ分子ポンプの断面図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態の磁気軸受装置の断面図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態の磁気軸受装置の断面である。
【図６】従来の磁気軸受装置の断面図である。
【符号の説明】
１０ ロータ
１２ ロータシャフト
１４ モータ
１６ モータロータ
１８ ステータ
２０ モータステータ
２２，２４ ラジアル磁気軸受
２６，２８ タッチベアリング
３０ アキシャル磁気軸受
３２，４０ 被センサ部
３４，４２ ラジアル変位センサ
３６，４４ 被軸受部
３８，４６ ラジアル電磁石
５０ アキシャルディスク
５２ アキシャル変位センサ
５４ アキシャル電磁石
５６，５８ 被支持部
６０ 回転翼
６２ ねじ溝部
６４ ロータ（羽根車）
６６ ポンプケーシング
６８ 固定翼
７０ ねじ溝部スペーサ
Ｌ１ 翼排気部
Ｌ２ ねじ溝排気部
Claims (2)
- モータロータと一体に回転するロータシャフトを、該モータロータを挟んだ位置に配置されるロータ側ラジアル磁気軸受と反ロータ側ラジアル磁気軸受の２個のラジアル磁気軸受と１個のアキシャル磁気軸受により浮上軸支し、該ロータ側ラジアル磁気軸受及び反ロータ側ラジアル磁気軸受の外側にロータ側タッチベアリング及び反ロータ側タッチベアリングを配置した５軸形磁気軸受装置において、
前記ロータ側ラジアル磁気軸受として能動形磁気軸受を使用し、
前記モータロータの外径と該モータロータと対面するモータステータの内径との間の隙間を、前記能動形磁気軸受のラジアル変位センサの内径と該変位センサに対面するロータシャフトの被センサ部の外径との間の隙間、及び前記能動形磁気軸受のラジアル電磁石の内径と該電磁石に対面するロータシャフトの被軸受部の外径との間の隙間より小さく設定し、
前記能動型磁気軸受の前記ラジアル変位センサ及び前記ラジアル電磁石、並びに前記ロータ側タッチベアリングの内径を、前記ロータシャフトの前記被センサ部及び前記被軸受部、並びに前記モータロータの外径より大きく設定したことを特徴とする磁気軸受装置。 - 前記ロータシャフトに真空ポンプのロータを連結したことを特徴とする請求項１に記載の磁気軸受装置。
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