JP3978018B2 - Turbomolecular pump and method of operating turbomolecular pump - Google Patents

Turbomolecular pump and method of operating turbomolecular pump Download PDF

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  • Control Of Positive-Displacement Pumps (AREA)
  • Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)
  • Control Of Positive-Displacement Air Blowers (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気軸受けを有するターボ分子ポンプおよびターボ分子ポンプの運転方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
ターボ分子ポンプのポンプユニットについて図4に基づいて説明する。図4(A)中1及び16は、ボルトによりOリング15を介して一体的に組みつけられている上部ケーシング1と下部ケーシング16で、上部ケーシング1の上部開口はガス吸気口2となすとともに、該ケーシング1の内周面側には円形リング状の静翼群(固定翼)4がスペーサ13によって上下に多段状にされている。
【0003】
また、静翼群(固定翼)4の下側には、後記するねじ溝ポンプ段8外周を囲繞する如く、シールリング14が微小隙間をおいて対向配置して、圧縮効果を上げている。
下部ケーシング16は、側部に排気口3が設けられ、更にその下側にコネクタ23が穿設されている。
また下部ケーシング16の上面中心域には円筒状の支持筒17が上方に垂設されており、該支持筒17内周側のロータ軸7と対面する位置に、上方より上部保護軸受19、上部ラジアル磁気軸受9、モータステータ12、下部軸受10、保護軸受20、及びスラスト磁気軸受11が取付けられている。
6は中心下面よりロータ軸7が下方に垂下されたポンプ回転部で、該回転部6の上部外周部には半径方向に放射状に配設した多数の動翼群(回転翼)5が、前記静翼4と交互に噛み合う如く多段状に配設されるとともに、該回転部6の下部外周部に、螺旋状のねじ溝ポンプ段8が取り付けられている。
また、前記支持筒17内に嵌挿されたロータ軸7は、前記モータステータ12と対面する位置にモータロータ21を嵌着させ交流モータ29を構成するとともに、該ロータ21の上部には上部ラジアル磁気軸受9を、またその上部は保護軸受19との間の間隔設定をしている。
【0004】
更に、前記ロータ21の下部には下部ラジアル磁気軸受10を、またその下部は保護軸受20との間の間隔設定をしている。また前記ロータ軸7の下端には円板状の磁性板22が設けられており、該磁性板22は支持筒17側のスラスト磁気軸受11内に侵入し、スラスト方向(Z軸)の空中維持制御を行っている。
即ち、前記上部ラジアル磁気軸受9と下部ラジアル磁気軸受10は、図4(B)に示すように、軸線と直交する断面内において、左右(X軸)及び前後(Y軸)方向に夫々一対づつ配設し、前記ロータ軸7に倒れが生じることなく中心軸線上に中空維持可能に構成され、この結果、前記スラスト磁気軸受11(Z軸)及び上部ラジアル磁気軸受9と下部ラジアル磁気軸受10(X軸、Y軸)によりロータ軸7は5軸方向に空中制御されて回転することとなる。
また前記夫々の磁気軸受9、10、11の磁気制御に異常をきたし、ロータ軸7が片側に偏心した場合は、上部若しくは下部の保護軸受19,20に当接して回転を補償する。
【0005】
上記のように構成されたターボ分子ポンプでは、前記各ラジアル磁気軸受9に通電してロータ軸7を介してポンプ回転部6を中空維持した状態でモータを例えば、10,000〜100,000rpmで高速回転させることにより、動翼5が静翼4内を回転し且つねじ溝ポンプ段8がシールリング14と対面しながら回転し、真空排気されるガスが上方吸気口2から動翼5と静翼4間で第1の圧縮を行った後、ねじ溝ポンプ段8の螺旋状溝通路で第2の圧縮が行なわれ、ガス通路を経て排気口3方向へ流れて、吸気口2側が真空排気される。
そして本実施形態に係る各磁気軸受9、10、11においては、その近傍に夫々位置センサ24、25、26が配設され、各磁気軸受9、10、11位置におけるロータ軸7と支持筒17の間隔(X、Y軸)及びスラスト方向における偏位を検知する。
【0006】
図5はポンプユニットAと電源ユニットBを示す。図5に示すようにポンプユニットA側と電源ユニットB側と両者間を電気的に接続するケーブル40からなり、ポンプユニットA側にはポンプ本体回転部(ロータ部)6のロータ軸7に直結されたロータ21及びステータ12からなるモータ29と、該ロータ21の上下に位置する上部及び下部ラジアル磁気軸受9、10と、前記ロータ軸7の下端に円板を挟んで設けられたスラスト磁気軸受11と、前記上部及び下部ラジアル磁気軸受9、10とロータ軸7間の空隙(X、Y軸)、及びスラスト方向におけるラジアル磁気軸受9と円板間の偏位を検知する位置センサ24、25、26を具えている。
そして、前記位置センサ24、25、26よりの信号を変換器36を介して信号ケーブル40Aより電源ユニットB側に送信可能に構成される。
【0007】
電源ユニットB側には、前記モータ29を高速駆動するモータ駆動回路34、前記位置センサ24、25、26よりの信号を受けて磁気軸受9、10、11の駆動電圧の制御を行ってロータ軸7を水平およびスラスト方向の中心に保持させる磁気軸受制御回路32としての演算器51、該演算器51よりの信号を受けて磁気軸受駆動電源31よりの駆動電圧のON/OFF制御を行うトランジスタ回路を含む磁気軸受駆動回路33、及び磁気軸受駆動電源31が組み込まれている。
前記磁気軸受制御回路32としての演算器51と磁気軸受駆動回路33は磁気軸受9、10,11を構成する電磁石のn対に対応する数だけ設けられている。
即ち、上部ラジアル磁気軸受9と下部ラジアル磁気軸受10は図4(B)に示すように、X軸方向に各1対、Y軸方向に各1対づつ(計4対)、またスラスト磁気軸受11は上下に1対で、全部で計5対必要とするために、ポンプユニットA側には位置センサ24、25、26が5個、及びこの検知信号に基づいて制御/演算される磁気軸受制御回路32は夫々5個、磁気軸受駆動回路33も夫々5個必要とされる。
また後記するテーブル50よりの設定定数データがデジタル信号であるために、前記磁気軸受制御回路32はデジタル演算により制御値を出力可能にCPU等の演算器51により構成されているが、一方、位置センサ24,25,26よりの検知信号、磁気軸受駆動回路33への駆動制御信号はアナログ信号であるために、演算器51の入力側には位置センサ信号をデジタル変換するためのA/D変換器45が、また演算器51の出力側にはD/A変換器46が介装され、演算出力を制御信号にアナログ変換して磁気軸受駆動回路33へ送出可能に構成されている。
【0008】
次に、磁気軸受制御回路32について説明する。
図6において、符号60は位置センサ24,25,26よりの検出信号に基づくフィードバック信号が入力されるPID制御回路であり、符号Pは比例器、Iは積分器、Dは微分器である。このPID制御回路を通した後、回転体6の構造による数次の固有振動数を安定化させるための位相補償回路63を通したあと、電磁石特性を補償する回路65を通してフィードバック用制御電流を得る。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
さて、ターボ分子ポンプは、設置状況に応じて縦置きと横置きとを自由に選択することができる。
縦置き/横置きでは、ロータ21の自重が作用する方向が異なるため、ラジアル軸受9,10およびスラスト軸受11に流れる電流が異なる。このため、縦置きと横置きでは軸受剛性が異なる。例えば上部ラジアル軸受9においては、横置き時は縦置き時と比較して軸受剛性が3倍程度になってしまう。剛性とゲインとは比例しているため、軸受の剛性が上がるとゲインも上がり、その結果高周波振動成分(例えば3次、4次の固有値)のゲインも上がってしまい、制御が不安定になってしまう。
また、軸受剛性が異なることにより、固有値も異なる。
これを図7に示した。定格回転数のとき、横置きの場合は縦置きに対して固有値が高くなっている。
軸受制御定数はどちらの取り付け状態とした場合であっても安定化させるため、縦置き時及び横置き時の2次までの固有値(剛体1次バックワードから剛体2次フォワードまで)を位相補償している。このため、縦置きのみまたは横置きのみの場合と比較し、位相補償回路63による位相補償領域を広範囲にとる必要がある。したがってゲインも増してしまう。ゲインが大きくなると、上記のように制御が不安定になってしまうという問題があった。
【0010】
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、制御を安定化することができるターボ分子ポンプおよびターボ分子ポンプの運転方法を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発明は、磁気軸受と、該磁気軸受を制御する磁気軸受制御装置と、設置方向に応じた制御定数を前記磁気軸受制御装置に与える判定手段とを備え、前記磁気軸受制御装置には、少なくとも積分器が設けられ、前記判定手段は、前記積分器の状態に基づいて設置方向を検出することを特徴とする。
【0012】
この発明においては、ターボ分子ポンプの設置方向の相違(例えば、縦置きと横置き)に応じて、各々の場合の制御に適切な制御定数を用いた磁気軸受の制御が可能である。更に、この発明においては、ロータの回転軸の偏差をゼロにするために使用されている積分器の状態から設置方向を判断する。より具体的には、デジタル回路の場合には積分器の出力、アナログ回路の場合には積分器が備えるコンデンサの電圧値に基づき、磁気軸受に作用している荷重の状態を判断する。
【0015】
請求項に記載の発明は、請求項1に記載のターボ分子ポンプにおいて、前記磁気軸受制御装置は、比例器微分器とが設けられ、前記制御定数は、前記比例器及び微分器の設定値であることを特徴とする。
【0016】
本発明においては、ターボ分子ポンプの設置方向に応じて磁気軸受の剛性が適切となるような制御定数が比例器及び微分器に与えられる。これにより、剛性が大きくなってしまうことにより生ずる高周波振動成分のゲイン増加を防止することができる。
【0017】
請求項に記載の発明は、請求項1に記載のターボ分子ポンプにおいて、前記磁気軸受制御装置には、位相補償回路が設けられ、前記制御定数は、前記位相補償回路の設定値であることを特徴とする。
【0018】
本発明においては、ターボ分子ポンプの設置方向に応じて位相補償回路の位相補償領域を変えることが可能となる。これにより、位相補償領域が広範囲になることにより生ずる高周波振動成分のゲイン増加を防止することができる。
【0019】
請求項に記載の発明は、磁気軸受と、該磁気軸受を制御する磁気軸受制御装置とを備えているターボ分子ポンプの運転方法において、ターボ分子ポンプの設置方向を、磁気軸受制御装置が備える積分器の状態から検出し、該設置方向に応じて前記磁気軸受制御装置の制御定数を変えることを特徴とする。
【0020】
この発明においては、ターボ分子ポンプの設置方向の相違(例えば、縦置きと横置き)に応じて、各々の場合の制御に適切な制御定数を用いた磁気軸受の制御が可能である。
【0021】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。なお、従来と同一の構成については同一の符号を用い、その説明を省略する。
図1に示したものは上部ラジアル軸受9に対する磁気軸受制御装置の制御ブロック線図である。符号60はPID制御回路であり、符号Pは比例器、Iは積分器、Dは微分器である。また、符号70は縦置き/横置きを判定する判定手段、符号71は比例器Pおよび微分器Dの制御定数が記憶された定数記憶手段である。
なお、初期状態では比例器Pおよび微分器Dは縦置き時に適した制御定数が与えられている。
【0022】
まず、ターボ分子ポンプを設置する。その設置方向はユーザの任意であり、縦置き、横置きのいずれであってもよい。その後の初回起動時において、積分器Iの状態から、ターボ分子ポンプが縦置きであるか、横置きであるかを判定手段70が判断する。具体的には、デジタル回路の場合は積分器Iの出力、アナログ回路の場合には、積分器I中のコンデンサの電圧値を検出する。具体的には、縦置きの場合「小」となり、横置きの場合は「大」となる。したがって例えば予め閾値を決めておき、該閾値以上であれば横置き、閾値未満であれば縦置きと判断することができる。
【0023】
判定手段70はその判定結果に基づき、ターボ分子ポンプが横置きであった場合、定数記憶手段71から横置きに適した制御定数を読み込み、比例器Pおよび微分器Dに与える。この制御定数が与えられることにより、比例器Pおよび微分器Dでは、軸受剛性(ゲイン)が大きくならなず、横置きであっても縦置きと同じ剛性とすることができる。よって高周波のゲインも抑えることができ、より安定した制御を行うことができる。
なお、上記においては上部ラジアル軸受9について示したが、他の磁気軸受(下部ラジアル軸受10、スラスト軸受11)についても同様にターボ分子ポンプの設置方向に応じて制御定数を変えることができる。
【0024】
次に本発明の第2の実施形態について説明する。
なお、以下においてはデジタル回路の場合について説明する。また、従来と同一の構成については同一の符号を用い、その説明を省略する。
図2に示したものは上部ラジアル軸受9に対する磁気軸受制御装置を示した制御ブロック線図であり、符号60はPID制御回路であり、符号Pは比例器、Iは積分器、Dは微分器である。また、符号75は縦置き/横置きを判定する判定手段、符号76は位相補償回路63の制御定数が記憶された定数記憶手段である。
なお、初期状態では位相補償回路63は縦置き時に適した設定となっている。
【0025】
まず、ターボ分子ポンプを設置する。その設置方向はユーザの任意であり、縦置き、横置きのいずれであってもよい。その後の初回起動時において、積分器Iの状態から、ターボ分子ポンプが縦置きであるか、横置きであるかを判定手段75が判断する。具体的には、デジタル回路の場合は積分器Iの出力、アナログ回路の場合には、積分器I中のコンデンサの電圧値を検出する。具体的には、縦置きの場合「小」となり、横置きの場合は「大」となる。したがって例えば予め閾値を決めておき、該閾値以上であれば横置き、閾値未満であれば縦置きと判断することができる。
【0026】
判定手段75はその判定結果に基づき、ターボ分子ポンプが横置きであった場合、定数記憶手段76から横置きに適した制御定数を読み込み、位相補償回路63に与える。
具体的には、縦置き時にはα1(時定数)が0.76であったものを、0.9にする。これにより、従来は縦置きと横置き双方を含む位相補償範囲であったものを、縦置き時には縦置きに適した従来より狭い位相補償範囲、横置き時には横置きに適した従来より狭い位相補償とすることができる。
このように本例においては位相補償範囲が狭くなるため、高周波のゲインも抑えることができ、より安定した制御を行うことができる。
【0027】
なお、上記のようにデジタル回路の場合には制御定数を変更すればよく、図3に示すアナログ回路(1次位相進み回路)の場合には、R1=T1/C,R2={α1/(1−α1)}*R1であるから、抵抗R2の値を変更することで実現することができる。
また、上記においては上部ラジアル軸受9について示したが、他の磁気軸受(下部ラジアル軸受10、スラスト軸受11)についても同様にターボ分子ポンプの設置方向に応じて制御定数を変えることができる。
また、上記各例において、縦置きか横置きか否かは、上部ラジアル軸受9の積分器Iだけではなく、他の磁気軸受10,11の積分器、さらにこれらの組み合わせに基づいて判定するようにしてもよい。
さらにまた、設置方向を判定するのは初回起動時に限らず、各起動時や設置方向が変更された場合、また、ユーザの指定があった場合等であってもよい。
また、判定手段70,75制御定数を与える対象としては、比例器P、積分器I、微分器Dのみであってもよいし、さらに位相補償回路63を含めこれらの組み合わせであってもよい。
【0028】
以上のように、本発明においては、高周波振動成分の安定余裕を大きくして安定した制御を行うことができる。ユーザ自身は機器の調整等を行うことなく、自由に設置方向を変えることができる。
【0029】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、ターボ分子ポンプの設置方向の相違に応じて、各々の場合の制御に適切な制御定数を用いた磁気軸受の制御を行うことができるため、安定した制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施形態として示したターボ分子ポンプの磁気軸受制御ブロック線図である。
【図2】 本発明の他の実施形態として示したターボ分子ポンプの磁気軸受制御ブロック線図である。
【図3】 アナログ回路における位相補償回路の一部を示した図である。
【図4】 ターボ分子ポンプの構成を示した図であり(A)は縦断面図、(B)はラジアル磁気軸受部の横断面図である。
【図5】 同ターボ分子ポンプの制御回路を示した概略図である。
【図6】 従来のターボ分子ポンプの磁気軸受制御ブロックである。
【図7】 ターボ分子ポンプを縦置きした場合と横置きした場合の固有値変化を示した図である。
【符号の説明】
9 上部ラジアル磁気軸受
10 下部ラジアル磁気軸受
11 スラスト磁気軸受
70,75 判定手段
P 比例器
I 積分器
D 微分器
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a turbo molecular pump having a magnetic bearing and a method for operating the turbo molecular pump.
[0002]
[Prior art]
A pump unit of the turbo molecular pump will be described with reference to FIG. In FIG. 4A, reference numerals 1 and 16 denote an upper casing 1 and a lower casing 16 which are integrally assembled with bolts via an O-ring 15. The upper opening of the upper casing 1 serves as a gas inlet 2. On the inner peripheral surface side of the casing 1, a circular ring-shaped stationary blade group (fixed blade) 4 is vertically formed by a spacer 13.
[0003]
In addition, a seal ring 14 is disposed below the stationary blade group (fixed blade) 4 so as to surround the outer periphery of a thread groove pump stage 8 to be described later, thereby increasing the compression effect.
The lower casing 16 is provided with the exhaust port 3 on the side, and further has a connector 23 formed on the lower side thereof.
A cylindrical support cylinder 17 is suspended upward in the central area of the upper surface of the lower casing 16, and the upper protective bearing 19 and the upper part are arranged at a position facing the rotor shaft 7 on the inner peripheral side of the support cylinder 17 from above. A radial magnetic bearing 9, a motor stator 12, a lower bearing 10, a protective bearing 20, and a thrust magnetic bearing 11 are attached.
Reference numeral 6 denotes a pump rotating portion in which the rotor shaft 7 is suspended downward from the center lower surface. A large number of moving blade groups (rotating blades) 5 radially arranged on the outer periphery of the rotating portion 6 are arranged in the radial direction. A plurality of stages are arranged so as to alternately mesh with the stationary blades 4, and a spiral thread groove pump stage 8 is attached to the lower outer peripheral part of the rotating part 6.
The rotor shaft 7 fitted in the support cylinder 17 constitutes an AC motor 29 by fitting a motor rotor 21 at a position facing the motor stator 12, and an upper radial magnet is formed above the rotor 21. The distance between the bearing 9 and the protective bearing 19 is set at the upper part.
[0004]
Further, the lower radial magnetic bearing 10 is set at the lower part of the rotor 21, and the space between the lower part and the protective bearing 20 is set. A disc-shaped magnetic plate 22 is provided at the lower end of the rotor shaft 7, and the magnetic plate 22 penetrates into the thrust magnetic bearing 11 on the support cylinder 17 side, and is maintained in the air in the thrust direction (Z-axis). Control is in progress.
That is, as shown in FIG. 4B, the upper radial magnetic bearing 9 and the lower radial magnetic bearing 10 are paired in the left-right (X-axis) and front-rear (Y-axis) directions, respectively, in a cross section orthogonal to the axis. The rotor shaft 7 is configured so that the rotor shaft 7 can be kept hollow on the center axis without falling down. As a result, the thrust magnetic bearing 11 (Z-axis), the upper radial magnetic bearing 9 and the lower radial magnetic bearing 10 ( The X-axis and Y-axis) causes the rotor shaft 7 to be rotated in the air in the five-axis direction.
Further, when the magnetic control of the magnetic bearings 9, 10 and 11 is abnormal and the rotor shaft 7 is eccentric to one side, the rotation is compensated by contacting the upper or lower protective bearings 19 and 20.
[0005]
In the turbo molecular pump configured as described above, the motor is operated at, for example, 10,000 to 100,000 rpm while energizing each radial magnetic bearing 9 and maintaining the pump rotating portion 6 hollow via the rotor shaft 7. By rotating at a high speed, the moving blade 5 rotates in the stationary blade 4 and the thread groove pump stage 8 rotates while facing the seal ring 14, and the gas to be evacuated is discharged from the upper intake port 2 to the moving blade 5. After the first compression between the blades 4, the second compression is performed in the spiral groove passage of the thread groove pump stage 8, flows through the gas passage toward the exhaust port 3, and the suction port 2 side is evacuated. Is done.
And in each magnetic bearing 9,10,11 which concerns on this embodiment, the position sensors 24,25,26 are each arrange | positioned in the vicinity, The rotor shaft 7 and the support cylinder 17 in each magnetic bearing 9,10,11 position. And the deviation in the thrust direction are detected.
[0006]
FIG. 5 shows a pump unit A and a power supply unit B. As shown in FIG. 5, the pump unit A side and the power supply unit B side are electrically connected to each other, and the pump unit A side is directly connected to the rotor shaft 7 of the pump body rotating part (rotor part) 6. Motor 29 composed of the rotor 21 and the stator 12, upper and lower radial magnetic bearings 9, 10 positioned above and below the rotor 21, and a thrust magnetic bearing provided on the lower end of the rotor shaft 7 with a disc sandwiched therebetween. 11, position sensors 24 and 25 for detecting the gaps (X and Y axes) between the upper and lower radial magnetic bearings 9 and 10 and the rotor shaft 7 and the displacement between the radial magnetic bearing 9 and the disc in the thrust direction. , 26.
And it is comprised so that the signal from the said position sensors 24, 25, 26 can be transmitted to the power supply unit B side from the signal cable 40A via the converter 36.
[0007]
On the side of the power supply unit B, the motor drive circuit 34 for driving the motor 29 at high speed and the signals from the position sensors 24, 25, 26 are received to control the drive voltages of the magnetic bearings 9, 10, 11, and the rotor shaft 7 as a magnetic bearing control circuit 32 that holds the center 7 in the horizontal and thrust directions, and a transistor circuit that performs ON / OFF control of the drive voltage from the magnetic bearing drive power supply 31 in response to a signal from the calculator 51 A magnetic bearing drive circuit 33 including a magnetic bearing drive power source 31 is incorporated.
The number of the arithmetic units 51 and the magnetic bearing drive circuits 33 as the magnetic bearing control circuit 32 is provided corresponding to n pairs of electromagnets constituting the magnetic bearings 9, 10, and 11.
That is, as shown in FIG. 4B, the upper radial magnetic bearing 9 and the lower radial magnetic bearing 10 have one pair each in the X-axis direction, one pair each in the Y-axis direction (four pairs in total), and a thrust magnetic bearing. 11 is a pair on the top and bottom, and a total of 5 pairs are required, so that there are five position sensors 24, 25, 26 on the pump unit A side, and a magnetic bearing that is controlled / calculated based on this detection signal. Five control circuits 32 and five magnetic bearing drive circuits 33 are required.
Since the set constant data from the table 50 to be described later is a digital signal, the magnetic bearing control circuit 32 is constituted by a computing unit 51 such as a CPU so that a control value can be output by digital computation. Since the detection signals from the sensors 24, 25, and 26 and the drive control signal to the magnetic bearing drive circuit 33 are analog signals, an A / D conversion for digitally converting the position sensor signal to the input side of the computing unit 51 is performed. The D / A converter 46 is provided on the output side of the calculator 45, and the calculation output is converted into a control signal in an analog manner so that it can be sent to the magnetic bearing drive circuit 33.
[0008]
Next, the magnetic bearing control circuit 32 will be described.
In FIG. 6, reference numeral 60 denotes a PID control circuit to which a feedback signal based on detection signals from the position sensors 24, 25, and 26 is inputted. Reference numeral P denotes a proportional unit, I denotes an integrator, and D denotes a differentiator. After passing through this PID control circuit, after passing through a phase compensation circuit 63 for stabilizing the natural frequency of several orders due to the structure of the rotating body 6, a feedback control current is obtained through a circuit 65 for compensating the electromagnet characteristics. .
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
Now, the turbo molecular pump can be freely selected between the vertical placement and the horizontal placement according to the installation situation.
In the vertical / horizontal placement, the direction in which the weight of the rotor 21 acts is different, so the currents flowing through the radial bearings 9 and 10 and the thrust bearing 11 are different. For this reason, the bearing rigidity differs between vertical installation and horizontal installation. For example, in the case of the upper radial bearing 9, the bearing rigidity is about three times greater when placed horizontally than when placed vertically. Since the rigidity and the gain are proportional, the gain increases as the bearing rigidity increases. As a result, the gain of high-frequency vibration components (for example, third-order and fourth-order eigenvalues) also increases, and the control becomes unstable. End up.
In addition, the eigenvalue varies depending on the bearing rigidity.
This is shown in FIG. At the rated speed, the eigenvalue is higher in the case of horizontal placement than in the case of vertical placement.
In order to stabilize the bearing control constant regardless of the installation state, phase compensation is performed for eigenvalues (from rigid body primary backward to rigid body secondary forward) up to the second order during vertical installation and horizontal installation. ing. For this reason, it is necessary to take a wider phase compensation region by the phase compensation circuit 63 than in the case of only the vertical placement or only the horizontal placement. Therefore, the gain also increases. When the gain is increased, there is a problem that the control becomes unstable as described above.
[0010]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a turbo molecular pump capable of stabilizing control and a method of operating the turbo molecular pump.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The invention according to claim 1 includes a magnetic bearing, a magnetic bearing control device that controls the magnetic bearing, and a determination unit that provides the magnetic bearing control device with a control constant corresponding to an installation direction. The apparatus is provided with at least an integrator, and the determination means detects an installation direction based on a state of the integrator .
[0012]
In the present invention, it is possible to control the magnetic bearing using a control constant appropriate for the control in each case according to the difference in the installation direction of the turbo molecular pump (for example, vertical installation and horizontal installation). Furthermore, in the present invention, the installation direction is determined from the state of the integrator used to make the deviation of the rotation axis of the rotor zero. More specifically, the state of the load acting on the magnetic bearing is determined based on the output of the integrator in the case of a digital circuit and the voltage value of a capacitor provided in the integrator in the case of an analog circuit.
[0015]
Invention according to claim 2, in the turbo molecular pump according to claim 1, wherein the magnetic bearing control device is provided with a proportional circuit and the differentiator is the control constant is of the proportional circuit and the differentiator It is a set value.
[0016]
In the present invention, a control constant that makes the rigidity of the magnetic bearing appropriate according to the installation direction of the turbo molecular pump is given to the proportionalizer and the differentiator. As a result, it is possible to prevent an increase in the gain of the high-frequency vibration component caused by the increased rigidity.
[0017]
Invention according to claim 3, in the turbo molecular pump according to claim 1, wherein the magnetic bearing controller, a phase compensation circuit is provided, wherein the control constant is set value before Symbol position phase compensation circuit It is characterized by being.
[0018]
In the present invention, the phase compensation region of the phase compensation circuit can be changed according to the installation direction of the turbo molecular pump. Thereby, it is possible to prevent an increase in the gain of the high-frequency vibration component caused by the wide phase compensation region.
[0019]
According to a fourth aspect of the present invention, in the method for operating a turbo molecular pump including a magnetic bearing and a magnetic bearing control device that controls the magnetic bearing, the magnetic bearing control device includes an installation direction of the turbo molecular pump. It is detected from the state of the integrator, and the control constant of the magnetic bearing control device is changed according to the installation direction.
[0020]
In the present invention, it is possible to control the magnetic bearing using a control constant appropriate for the control in each case according to the difference in the installation direction of the turbo molecular pump (for example, vertical installation and horizontal installation).
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, about the structure same as the past, the same code | symbol is used and the description is abbreviate | omitted.
FIG. 1 is a control block diagram of a magnetic bearing control device for the upper radial bearing 9. Reference numeral 60 denotes a PID control circuit. Reference numeral P denotes a proportional device, I denotes an integrator, and D denotes a differentiator. Reference numeral 70 denotes determination means for determining whether the apparatus is placed vertically or horizontally, and reference numeral 71 denotes constant storage means in which control constants of the proportional device P and the differentiator D are stored.
Note that, in the initial state, the proportional constant P and the differentiator D are given control constants suitable for vertical installation.
[0022]
First, a turbo molecular pump is installed. The installation direction is arbitrary by the user, and may be either vertical or horizontal. At the first startup after that, the determination means 70 determines from the state of the integrator I whether the turbo molecular pump is installed vertically or horizontally. Specifically, the output of the integrator I is detected in the case of a digital circuit, and the voltage value of the capacitor in the integrator I is detected in the case of an analog circuit. Specifically, it is “small” in the vertical position and “large” in the horizontal position. Therefore, for example, a threshold value is determined in advance, and if it is equal to or greater than the threshold value, it can be determined to be horizontal, and if it is less than the threshold value, it can be determined to be vertical.
[0023]
Based on the determination result, the determination means 70 reads a control constant suitable for the horizontal placement from the constant storage means 71 when the turbo molecular pump is in the horizontal orientation, and gives it to the proportional device P and the differentiator D. By giving this control constant, in the proportional device P and the differentiator D, the bearing rigidity (gain) does not increase, and even in the horizontal position, the same rigidity as in the vertical position can be obtained. Therefore, high-frequency gain can be suppressed, and more stable control can be performed.
In the above description, the upper radial bearing 9 is shown. However, the control constants of other magnetic bearings (lower radial bearing 10 and thrust bearing 11) can be similarly changed according to the installation direction of the turbo molecular pump.
[0024]
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
In the following, the case of a digital circuit will be described. Moreover, the same code | symbol is used about the same structure as the past, and the description is abbreviate | omitted.
2 is a control block diagram showing a magnetic bearing control device for the upper radial bearing 9. Reference numeral 60 is a PID control circuit, reference numeral P is a proportional unit, I is an integrator, and D is a differentiator. It is. Reference numeral 75 denotes a determination unit that determines whether the device is placed vertically or horizontally, and reference numeral 76 denotes a constant storage unit that stores a control constant of the phase compensation circuit 63.
In the initial state, the phase compensation circuit 63 is set to be suitable for vertical installation.
[0025]
First, a turbo molecular pump is installed. The installation direction is arbitrary by the user, and may be either vertical or horizontal. At the first startup after that, the determination means 75 determines from the state of the integrator I whether the turbo molecular pump is installed vertically or horizontally. Specifically, the output of the integrator I is detected in the case of a digital circuit, and the voltage value of the capacitor in the integrator I is detected in the case of an analog circuit. Specifically, it is “small” in the vertical position and “large” in the horizontal position. Therefore, for example, a threshold value is determined in advance, and if it is equal to or greater than the threshold value, it can be determined to be horizontal, and if it is less than the threshold value, it can be determined to be vertical.
[0026]
Based on the determination result, the determination means 75 reads the control constant suitable for the horizontal placement from the constant storage means 76 and gives it to the phase compensation circuit 63 when the turbo molecular pump is in the horizontal orientation.
Specifically, α1 (time constant) that was 0.76 during vertical installation is set to 0.9. As a result, the conventional phase compensation range that includes both vertical and horizontal placement is narrower than the conventional phase compensation range that is suitable for vertical placement when placed vertically, and narrower than conventional compensation that is suitable for horizontal placement when placed horizontally. It can be.
As described above, in this example, the phase compensation range is narrowed, so that a high-frequency gain can be suppressed, and more stable control can be performed.
[0027]
In the case of the digital circuit as described above, the control constant may be changed. In the case of the analog circuit (primary phase advance circuit) shown in FIG. 3, R1 = T1 / C, R2 = {α1 / ( Since 1−α1)} * R1, it can be realized by changing the value of the resistor R2.
In the above description, the upper radial bearing 9 is shown. However, the control constants of other magnetic bearings (lower radial bearing 10 and thrust bearing 11) can be similarly changed according to the installation direction of the turbo molecular pump.
Further, in each of the above examples, whether or not it is placed vertically or horizontally is determined not only based on the integrator I of the upper radial bearing 9 but also based on the integrators of the other magnetic bearings 10 and 11 and combinations thereof. It may be.
Furthermore, the installation direction is not limited to the time of initial activation, but may be when each activation or when the installation direction is changed, or when the user designates.
Further, the target to which the determination means 70 and 75 control constants are given may be only the proportional device P, the integrator I, and the differentiator D, or may be a combination thereof including the phase compensation circuit 63.
[0028]
As described above, in the present invention, stable control can be performed by increasing the stability margin of the high-frequency vibration component. The user himself can freely change the installation direction without adjusting the equipment.
[0029]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, the magnetic bearing can be controlled using a control constant appropriate for the control in each case according to the difference in the installation direction of the turbo molecular pump. It can be performed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a magnetic bearing control block diagram of a turbo molecular pump shown as an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a magnetic bearing control block diagram of a turbo molecular pump shown as another embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a part of a phase compensation circuit in an analog circuit.
4A and 4B are diagrams showing a configuration of a turbo molecular pump, where FIG. 4A is a longitudinal sectional view, and FIG. 4B is a transverse sectional view of a radial magnetic bearing portion.
FIG. 5 is a schematic view showing a control circuit of the turbo molecular pump.
FIG. 6 is a magnetic bearing control block of a conventional turbo molecular pump.
FIG. 7 is a diagram showing changes in eigenvalues when a turbo molecular pump is placed vertically and when it is placed horizontally.
[Explanation of symbols]
9 Upper radial magnetic bearing 10 Lower radial magnetic bearing 11 Thrust magnetic bearing 70, 75 Determination means P Proportional device I Integrator D Differentiator

Claims (4)

磁気軸受と、
該磁気軸受を制御する磁気軸受制御装置と
設置方向に応じた制御定数を前記磁気軸受制御装置に与える判定手段と
を備え、
前記磁気軸受制御装置には、少なくとも積分器が設けられ、
前記判定手段は、前記積分器の状態に基づいて設置方向を検出することを特徴とするターボ分子ポンプ。
Magnetic bearings,
A magnetic bearing control device for controlling the magnetic bearing ;
Determining means for giving a control constant corresponding to the installation direction to the magnetic bearing control device;
With
The magnetic bearing control device is provided with at least an integrator,
The turbo molecular pump according to claim 1, wherein the determination unit detects an installation direction based on a state of the integrator .
請求項1に記載のターボ分子ポンプにおいて、
前記磁気軸受制御装置には、比例器と微分器とが設けられ、前記制御定数は、前記比例器及び微分器の設定値であることを特徴とするターボ分子ポンプ。
The turbo-molecular pump according to claim 1,
The magnetic bearing control device is provided with a proportional device and a differentiator, and the control constant is a set value of the proportional device and the differentiator .
請求項1に記載のターボ分子ポンプにおいて、前記磁気軸受制御装置は、位相補償回路が設けられ、前記制御定数は、前記位相補償回路の設定値であることを特徴とするターボ分子ポンプ。In the turbo molecular pump according to claim 1, wherein the magnetic bearing control device, the phase compensation circuit is provided, wherein the control constant is a turbo molecular pump, which is a set value of the phase compensation circuit. 磁気軸受と、該磁気軸受を制御する磁気軸受制御装置とを備えているターボ分子ポンプの運転方法において、In a method of operating a turbo molecular pump comprising a magnetic bearing and a magnetic bearing control device for controlling the magnetic bearing,
ターボ分子ポンプの設置方向を、磁気軸受制御装置が備える積分器の状態から検出し、該設置方向に応じて前記磁気軸受制御装置の制御定数を変えることを特徴とするターボ分子ポンプの運転方法。  An operating method of a turbo molecular pump, wherein an installation direction of a turbo molecular pump is detected from a state of an integrator provided in the magnetic bearing control device, and a control constant of the magnetic bearing control device is changed according to the installation direction.
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