JP4324736B2 - 磁気軸受制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ターボ分子ポンプ等に用いられる磁気軸受の磁気軸受制御装置に関する。

ターボ分子ポンプや圧縮機などでは、回転体を支持する軸受として電磁石による磁気軸受装置を用いたものが知られている。そのような磁気軸受装置においては、一般的にラジアル軸およびアキシャル軸から成る３軸以上の制御が行われ、変位センサの信号に基づいて電磁石をＰＩＤフィードバック制御することにより回転体を非接触で磁気浮上させる。

ところで、ターボ分子ポンプや圧縮機などの回転装置では、回転体の固有振動に起因する共振が発生する。従来、このような共振への対策として、アキシャル軸およびラジアル軸のいずれの場合にも周波数固定式のノッチフィルタを用いる方法が一般的である。また、回転体の固有振動数が回転数に応じて変化するので、固有振動数の変化に応じてノッチフィルタの中心周波数を移動させる方式も知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開５−２３１４２８号公報

しかしながら、ターボ分子ポンプにおいてはロータ翼の振動に起因するアキシャル軸の固有振動数がポンプ毎に異なる場合が多い。そのように固有振動数の機台差があると、それに合わせてノッチフィルタでカットできる周波数の幅を大きくする必要がある。しかし、周波数幅を大きくするとノッチフィルタで低減できるゲインの量が小さくなるため、共振に対する設計マージンに余裕がなくなり、翼が発振するおそれがあった。さらに、翼段の多いロータの場合には固有振動数の範囲が広く、ノッチフィルタを用いた定数設計が困難な場合があった。

また、回転数に応じてノッチフィルタの中心周波数を移動させる場合、回転周波数がノッチフィルタの位相進み特性を有する周波数領域、すなわち中心周波数よりもやや周波数の高い領域となるように中心周波数を移動させる必要がある。そのため、機台差の範囲を厳密に見極める必要があり、実質的に機台差による固有振動数のズレによりロータ翼の共振が発生するおそれがあった。このようなロータ翼の共振が発生するとステータ翼と接触するおそれがあり、接触によってダストが発生したりするなど不具合が発生する可能性があった。

請求項１の発明は、複数段のロータ翼を有する回転体をアキシャル磁気軸受およびラジアル磁気軸受により非接触支持したターボ分子ポンプの磁気軸受制御装置であって、回転体の回転数を検出する回転数センサと、回転体のアキシャル変位を検出する変位センサと、変位センサからの信号に基づいてアキシャル磁気軸受の制御信号を出力する制御部と、制御部から出力された制御信号から特定周波数域の信号を低減して残りの信号を通過するフィルタ部と、フィルタ部から出力された信号に基づいてアキシャル磁気軸受を駆動する駆動部とを備え、フィルタ部は、不通過帯域およびその中心周波数が異なり、該中心周波数が隣接するもの同士は不通過帯域の一部が重複している複数のノッチフィルタと、複数のノッチフィルタから、前記中心周波数が隣接する２以上のノッチフィルタを直列接続して、ロータ翼の固有振動数を不通過帯域に含むノッチフィルタ群を形成する形成手段と、回転数センサで検出された回転数に応じて形成手段を制御して、切換前後の２つのノッチフィルタ群の不通過域が一部重複するようにノッチフィルタ群を切り換える切換手段とを備えて、切換手段により切り換えられたノッチフィルタ群に前記制御信号を入力することを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載の磁気軸受制御装置において、切換前後の各ノッチフィルタ群を構成する複数のノッチフィルタの少なくとも１つが共通するように、ノッチフィルタ群を切り換えるようにしたものである。

本発明によれば、アキシャル軸方向の固有振動数に機台差があった場合でも、アキシャル軸の固有振動数に起因する共振を確実に抑えることができる。

以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は本発明による磁気軸受制御装置が適用される磁気軸受式ターボ分子ポンプの断面図である。ポンプ本体１に設けられたケーシング２０の内部には、複数段のロータ翼２１およびネジ溝部２２が形成されたロータ４と、ロータ翼２１に対して交互に配設されるステータ翼２３と、上記ネジ溝部２２と対向するように配設される筒状部材２４とが設けられている。ロータ翼２１およびステータ翼２３は、タービン翼で構成されている。ロータ４を非接触支持する電磁石はラジアル磁気軸受を構成する電磁石５１，５２とアキシャル磁気軸受を構成する電磁石５３とを有し、これらは後述するように５軸制御形磁気軸受を構成している。ロータ４の回転数は回転数センサ１３により検出される。

これらのラジアル電磁石５１，５２とアキシャル電磁石５３に対応して、ラジアル変位センサ７１，７２およびアキシャル変位センサ７３が設けられている。ロータ４を電磁石５１，５２，５３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、吸気口側のガスは矢印Ｇ１のように背圧側（空間Ｓ１）に排気され、背圧側に排気されたガスは排気口フランジ２６に接続された補助ポンプ（不図示）によりＧ２のように排気される。２７，２８は非常用のメカニカルベアリングである。

図２は５軸制御型磁気軸受の概念図であり、ロータ４の回転軸Ｊがｚ軸に一致するように示した。図１に示したラジアル電磁石５１は、ｘ軸に関する一対の電磁石５１ｘとｙ軸に関する一対の電磁石５１ｙとを備えている。同様に、ラジアル電磁石５２も、ｘ軸に関する一対の電磁石５２ｘとｙ軸に関する一対の電磁石５２ｙとを備えている。また、アキシャル電磁石５３は、ロータ４の下端に設けられたディスク４１をｚ軸に沿って挟むように対向して配設される一対の電磁石５３ｚを備えている。

図１の変位センサ７１，７２に関しても、電磁石５１ｘ，５１ｙ，５２ｘ，５２ｙに対応してそれぞれ一対のラジアル変位センサで構成されている。これら５組の電磁石５１ｘ，５１ｙ，５２ｘ，５２ｙ，５３および変位センサ７１〜７３により５軸制御型磁気軸受が構成されている。変位センサ７（７１，７３）はインダクタンス式のセンサであり、ギャップ変位の変化によるセンサ部インピーダンスの変化を利用してギャップ変位を電気信号に変換している。また、ロータ４のセンサ対向面は強磁性体または導体で構成されている。

図３はアキシャル方向の磁気軸受制御系の基本構成を示すブロック図である。アキシャル電磁石５３は、アキシャル電磁石５３用の磁気軸受制御装置３０によって制御される。変位センサ７３からのセンサ信号は磁気軸受制御装置３０のセンサ回路部３１に入力され、センサ回路部３１で増幅された後にＰＩＤ制御３２に入力される。

ＰＩＤ制御３２では、まず、ロータ４の浮上目標位置を指示する基準信号と入力されたセンサ信号との差分が演算される。ＰＩＤ制御３２は、その差分信号に基づいてＰＩＤ演算により電流制御量を算出し、アキシャル電磁石５３の励磁電流をフィードバック制御するものである。

ＰＩＤ制御部３２の後段には、アキシャル方向の共振を防止するために３つのノッチフィルタＡ，Ｂ，Ｃが設けられており、ＰＩＤ制御部３２から出力された電磁石電流信号は、ノッチフィルタＡおよびノッチフィルタＣに入力される。ノッチフィルタＡ，Ｃは並列に設けられており、ノッチフィルタＡ，ＣとノッチフィルタＢとは直列に接続されるような構成となっている。

ノッチフィルタＡ，Ｂ，Ｃの中心周波数ｆ_Ａ，ｆ_Ｂ，ｆ_Ｃは、図４に示すようにｆ_Ａ＜ｆ_Ｂ＜ｆ_Ｃのように設定されている。各ノッチフィルタＡ，Ｂ，Ｃは、それぞれ周波数ｆ_Ａ，ｆ_Ｂ，ｆ_Ｃを中心とする所定周波数範囲（不通過帯域）Δｆ_Ａ，Δｆ_Ｂ，Δｆ_Ｃの信号をカットするものである。例えば、ＰＩＤ制御部３２から出力された電磁石電流制御信号をノッチフィルタＡに通すと、電磁石電流制御信号から周波数範囲Δｆ_Ａの信号がカットされる。

ノッチフィルタＡ，ＣとノッチフィルタＢとの間には、フィルタ切換部３３が設けられている。フィルタ切換部３３は回転数センサ１３からの回転数信号に応じて切換スイッチが上下に切り換えられるものであり、それにより、並列接続されたノッチフィルタＡ，Ｃのいずれか一方が使用状態となる。

図３に示す例では切換スイッチはノッチフィルタＡに接続されており、ノッチフィルタＡとノッチフィルタＢとを直列接続したものがこの場合のフィルタとして用いられる。逆に、フィルタ切換部３３をノッチフィルタＣ側に切り換えると、ノッチフィルタＣとノッチフィルタＢとを直列接続したものがフィルタとして用いられる。ノッチフィルタＢを通過した電磁石電流信号は励磁アンプ３４に入力され、電磁石電流信号に基づいた励磁電流が励磁アンプ３４からアキシャル電磁石５３に印加される。

アキシャル軸の固有振動数としては、磁気軸受の固有振動数に加えて、ロータ４に設けられたタービン翼の固有振動数がある。アキシャル軸の固有振動数は、ラジアル軸の場合と異なりジャイロ効果による固有振動数の分離、すなわち前回りと後ろ回りとの分離が発生せず、図５に示す曲線Ｌのように回転数に応じて固有振動数が上昇するという特性を有している。特に、タービン翼の場合、その形状が片持ち梁構造であるため固有振動の変化の割合が大きい。図５において、Δｆ_ＡはノッチフィルタＡのゲイン低減効果が有効に作用する不通過帯域を示したものであり、Δｆ_ＢはノッチフィルタＢの不通過帯域を、Δｆ_ＣはノッチフィルタＣの不通過帯域をそれぞれ示したものである。

前述したように固有振動数は機台毎に異なり、複数のターボ分子ポンプについて考えると、例えば、図６の曲線Ｌ１１〜Ｌ１３のようになる。図６は機台差がある場合の固有振動数を示したものであって、曲線Ｌ１１，Ｌ１３は固有振動数ばらつきの両極端を表し、曲線Ｌ１２は平均的な固有振動数を表している。そして、磁気軸受５３を制御する磁気軸受制御装置３０は、図６に示すような機台毎の固有振動数ばらつきに対応できるように構成する必要がある。

本実施の形態では、図３，４に示すような３つのノッチフィルタＡ，Ｂ，Ｃを予め用意しておき、ロータ回転数に応じてフィルタ切換部３３を切り換えて、「ノッチフィルタＡ＋ノッチフィルタＢ」という第１フィルタと、「ノッチフィルタＣ＋ノッチフィルタＢ」という第２フィルタを使い分ける。

図７（ａ）は第１フィルタのゲイン特性を示す図であり、ハッチングで示したノッチフィルタＡのゲイン特性とノッチフィルタＢのゲイン特性とを合わせたものが、実線Ｌ１で示す第１フィルタのゲイン特性となる。ゲイン特性Ｌ１はノッチフィルタＡの中心周波数ｆ_ＡとノッチフィルタＢの中心周波数ｆ_Ｂとの中間周波数域に鞍部があるが、この鞍部におけるゲイン低減量ΔＧが設計マージンよりも大きくなるようにノッチフィルタＡ，Ｂを設定する。

すなわち、第１フィルタのゲイン低減効果が有効に作用する不通過帯域をΔｆ１とした場合、不通過帯域Δｆ１は図５に示したノッチフィルタＡ，Ｂの不通過帯域Δｆ_ＡとΔｆ_Ｂとを合わせたものになるが、不通過帯域Δｆ_Ａと不通過帯域Δｆ_Ｃとの重複の度合いを調整してΔＧが設計マージンよりも大きくなるようにする。

一方、図７（ｂ）は第２フィルタのゲイン特性を示す図であり、実線Ｌ２で示す第２フィルタのゲイン特性は、ハッチングで示したノッチフィルタＢのゲイン特性とノッチフィルタＣのゲイン特性とを合わせたものである。第２フィルタのゲイン低減効果が有効に作用する不通過帯域Δｆ２は、図５に示したノッチフィルタＢ，Ｃの不通過帯域Δｆ_ＢおよびΔｆ_Ｃを合わせたものになる。

《ノッチフィルタＡ，Ｃの切り換え動作について》
次に、切換部３３によるノッチフィルタＡ，Ｃの切り換え動作について図３，６を参照しながら説明する。図６において、特性Ｌ１１を有するターボ分子ポンプをポンプ１Ａ、同様に特性Ｌ１２，Ｌ１３の特性を有するものをポンプ１Ｂ，１Ｃとする。すなわち、ポンプ１Ａ〜１Ｂのそれぞれを停止状態からロータ回転数を上昇させると、特性Ｌ１１〜Ｌ１３のように固有振動数がそれぞれ変化する。

そして、回転数ｒ＝０から回転数ｒ＝ｒ１までは、図３に示すように切換部３３をノッチフィルタＡ側に切り換えて、ノッチフィルタＡとノッチフィルタＢとを直列接続した第１フィルタを用いて軸受制御を行う。図６に示すように、回転数ｒ１までは、ポンプ１Ａ〜１Ｂのいずれの固有振動数も第１フィルタの不通過帯域Δｆ１に入っている。

回転数ｒがさらに上昇してｒ＞ｒ１となると、ポンプ１Ｃの固有振動数（特性Ｌ１３）は不通過帯域Δｆ１から図示上方に外れてしまう。そこで、回転数ｒがｒ＝ｒ１となったならばフィルタ切換部３３をノッチフィルタＣ側に切り換えて、ノッチフィルタＣとノッチフィルタＢとを直列接続した第２フィルタにより軸受制御を行う。ｒ１＜ｒ≦ｒ２においては、各ポンプ１Ａ〜１Ｃの固有振動数（特性Ｌ１１〜Ｌ１３）は第２フィルタの不通過帯域Δｆ２内に入っている。なお、ｒ２は定常状態の回転数である。

逆に、ポンプを停止状態とするために定常状態（ｒ＝ｒ２）からロータ回転数ｒを減少させる場合には、回転数ｒがｒ＝ｒ１となるまでは第２フィルタで制御を行い、ｒ＝ｒ１となったならばフィルタ切換部３３をノッチフィルタＣ側からノッチフィルタＡ側へと切り換えて、第１フィルタにより制御を行う。

このように、本実施の形態では、互いの不通過帯域の一部が重複する二つのノッチフィルタを直列結合したものを第１および第２フィルタとして用いているため、個別のノッチフィルタよりも不通過帯域Δｆ１，Δｆ２を広くすることができる。そのため、図６のように固有振動数に機台差があっても、それらが第１および第２フィルタの不通過帯域Δｆ１，Δｆ２に含まれるようにすることができ、ロータ翼の共振を防止することができる。

また、固有振動数が回転数に応じて変化した場合でも、回転数ｒ１でフィルタ切換部３３により第１フィルタと第２フィルタとを切り換えることにより、停止状態（ｒ＝０）から定常状態（ｒ＝ｒ２）の範囲においてアキシャル軸の共振を防止することができる。この場合、ｒ＝ｒ１で切り換えを行うだけなので、従来のように回転数に応じて中心周波数を移動させる場合のように、機台差の範囲を厳密に見極めて中心周波数を移動させなければならないという困難性がない。

図３に示したノッチフィルタＡ〜Ｃおよびフィルタ切換部３３はアナログ回路で構成しても良いし、デジタル処理を用いても良い。ＤＳＰ等を用いてデジタル処理する場合には、ノッチフィルタＡ〜Ｃはソフト的に構成され、第１フィルタを適用する場合にはノッチフィルタＡ，Ｂの二つの処理を行い、第２フィルタに切り換えられた場合にはノッチフィルタＣ，Ｂの二つの処理が行われる。

また、回転数による固有振動数の変化が大きい場合には、さらにノッチフィルタの数を増やして切り換えるようにしても良い。例えば、図８に示すように４つのノッチフィルタＡ〜Ｄとフィルタ切換部３３Ａ，３３Ｂとを設け、回転数に応じてフィルタ切換部３３Ａ，３３Ｂを切り換えることにより、順に「Ａ＋Ｂ」、「Ｂ＋Ｃ」、「Ｃ＋Ｄ」のように組み合わせを３段階に切り換えるようにしても良い。なお、各ノッチフィルタＡ〜Ｄの中心周波数ｆ_Ａ，ｆ_Ｂ，ｆ_Ｃ，ｆ_Ｄは、ｆ_Ａ＜ｆ_Ｂ＜ｆ_Ｃ＜ｆ_Ｄのように設定されている。このようなフィルタ処理をデジタルで行う場合には、常に２つのノッチフィルタについて演算を行えば良いので、ノッチフィルタの数が増えても演算負荷は変化しないという利点がある。

なお、上述した実施の形態では、第１フィルタから第２フィルタに切り換える際に、第１フィルタの高周波数側ノッチフィルタと第２フィルタの低周波数側ノッチフィルタとが共通のノッチフィルタＢとなるように切り換えたが、ポンプ間の機台差が小さい場合には共通としなくてもよい。例えば、さらに高周波数側にノッチフィルタＤを用意し、第１フィルタを「Ａ＋Ｂ」、第２フィルタを「Ｃ＋Ｄ」としても良い。この場合、切り換え時に固有振動数がノッチフィルタＢ，Ｃの不通過帯域重複部に入るようにノッチフィルタＣ，Ｂを設定する。また、ポンプ間の機台差が一つのノッチフィルタでカバーできる程度に小さい場合には、図３のノッチフィルタＢを省略してノッチフィルタＡ，Ｃをそれぞれ第１および第２フィルタとしても良い。

逆に、ポンプ同士の機台差が大きい場合には、４つのノッチフィルタＡ〜Ｄを用いて図９に示すように３つのノッチフィルタを組み合わせたものを第１フィルタ、第２フィルタとしても良い。図９（ａ）に示す第１フィルタはノッチフィルタＡ，Ｂ，Ｃを直列接続したものであり、不通過帯域Δｆ１１は図７に示した不通過帯域Δｆ１よりも広くなっている。次いで、図９（ａ）のノッチフィルタＡに代えて高周波数側にノッチフィルタＤを接続して、図９（ｂ）に示すような第２フィルタとする。ノッチフィルタＤの中心周波数はｆ_Ｄであり、不通過帯域Δｆ１２は図７（ｂ）のΔｆ２に比べて高周波側に拡がっている。

図９に示す例ではノッチフィルタ１つ分を切り換えて第１フィルタ第２フィルタとしたが、図１０のようにノッチフィルタ２つ分を切り換えるようにしても良い。この場合には、５つのノッチフィルタＡ〜Ｅを５つ用意すれば良い。第２フィルタではノッチフィルタＣを残し、ノッチフィルタＡ，Ｂに代えて高周波数側にノッチフィルタＤ，Ｅを接続する。

なお、図３に示した例は、ＰＩＤ制御部３２と励磁アンプ３４との間に従来設けられていたフィルタ部（ノッチフィルタ）を、複数のノッチフィルタＡ，Ｂ，Ｃおよびフィルタ切換部３３で置き換えたものである。さらに、フィルタ部が図１１のような構成であった場合にも本発明は適用でき、ノッチフィルタ１００に代えて図３に示す複数のノッチフィルタＡ，Ｂ，Ｃおよびフィルタ切換部３３を用いても良いし、図８の構成を用いても良い。

上述した実施の形態ではターボ分子ポンプを例に説明したが、本発明はターボ分子ポンプに限らず回転体のアキシャル軸の固有振動が図５に示すような特性を有する磁気軸受装置ならば適用することができる。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、ＰＩＤ制御部３２は制御部を、フィルタ切換部３３，３３Ａ，３３Ｂは切換手段および形成手段をそれぞれ構成する。

本発明による磁気軸受制御装置が適用される磁気軸受式ターボ分子ポンプの断面図である。 ５軸制御型磁気軸受の概念図である。 アキシャル方向の磁気軸受制御系の基本構成を示すブロック図である。 ノッチフィルタＡ〜Ｃの特性を示す図である。 アキシャル軸の固有振動数の変化を示す図である。 ノッチフィルタ切り換え動作を説明する図である。 （ａ）は第１フィルタの特性を示す図であり、（ｂ）は第２フィルタの特性を示す図である。 フィルタ部の変形例を示すブロック図である。 フィルタ切り換えの第１変形例を示す図である。 フィルタ切り換えの第２変形例を示す図である。 フィルタ部構成の変形例を示す図である。

符号の説明

１ ポンプ本体１
４ ロータ
１３ 回転数センサ
３０ 磁気軸受制御装置
３１ センサ回路部
３２ ＰＩＤ制御部
３３，３３Ａ，３３Ｂ フィルタ切換部
３４ 励磁アンプ
５１〜５３，５１ｘ，５１ｙ，５２ｘ，５２ｙ，５３ｚ 電磁石
７１〜７３ 変位センサ
１００，Ａ〜Ｅ ノッチフィルタ

Claims (2)

1. 複数段のロータ翼を有する回転体をアキシャル磁気軸受およびラジアル磁気軸受で非接触支持したターボ分子ポンプの磁気軸受制御装置であって、
   前記回転体の回転数を検出する回転数センサと、
   前記回転体のアキシャル変位を検出する変位センサと、
   前記変位センサからの信号に基づいて前記アキシャル磁気軸受の制御信号を出力する制御部と、
   前記制御部から出力された前記制御信号から特定周波数域の信号を低減して残りの信号を通過するフィルタ部と、
   前記フィルタ部から出力された信号に基づいて前記アキシャル磁気軸受を駆動する駆動部とを備え、
   前記フィルタ部は、
   不通過帯域およびその中心周波数が異なり、該中心周波数が隣接するもの同士は不通過帯域の一部が重複している複数のノッチフィルタと、
   前記複数のノッチフィルタから、前記中心周波数が隣接する２以上のノッチフィルタを直列接続して、ロータ翼の固有振動数を不通過帯域に含むノッチフィルタ群を形成する形成手段と、
   前記回転数センサで検出された回転数に応じて前記形成手段を制御して、切換前後の２つのノッチフィルタ群の不通過域が一部重複するようにノッチフィルタ群を切り換える切換手段とを備えて、前記切換手段により切り換えられたノッチフィルタ群に前記制御信号を入力することを特徴とする磁気軸受制御装置。
2. 請求項１に記載の磁気軸受制御装置において、
   前記切換手段は、切換前後の各ノッチフィルタ群を構成する複数のノッチフィルタの少なくとも１つが共通するように、ノッチフィルタ群を切り換えることを特徴とする磁気軸受制御装置。

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