JP5606315B2

JP5606315B2 - 磁気軸受装置及び該磁気軸受装置を搭載した真空ポンプ

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Publication number: JP5606315B2
Application number: JP2010523724A
Authority: JP
Inventors: 慎一野村; シュローダーウルリヒ
Original assignee: EDWARDSJAPAN LIMITED
Current assignee: EDWARDSJAPAN LIMITED
Priority date: 2008-08-05
Filing date: 2009-06-01
Publication date: 2014-10-15
Anticipated expiration: 2029-06-01
Also published as: EP2315349B1; US9093938B2; KR101552747B1; JPWO2010016176A1; WO2010016176A1; US20110121767A1; EP2315349A4; EP2315349A1; KR20110031422A

Description

本発明は磁気軸受装置及び該磁気軸受装置を搭載した真空ポンプに係わり、特に容量の大きな回生抵抗やヒートシンクを採用したり、より風量の大きなＦＡＮを使用しなくても、回生抵抗の発熱を仕様温度範囲に抑制でき、適正なブレーキ時間を得つつ、コンパクトで低コストな磁気軸受装置及び該磁気軸受装置を搭載した真空ポンプに関する。

近年のエレクトロニクスの発展に伴い、メモリーや集積回路といった半導体の需要が急激に増大している。
これらの半導体は、極めて純度の高い半導体基板に不純物をドープして電気的性質を与えたり、半導体基板上に微細な回路パターンを形成し、これを積層するなどして製造される。

そして、これらの作業は空気中の塵等による影響を避けるため高真空状態のチャンバ内で行われる必要がある。このチャンバの排気には、一般に真空ポンプが用いられているが、特に残留ガスが少なく、保守が容易である等の点から真空ポンプの中の一つであるターボ分子ポンプが多用されている。

また、半導体の製造工程では、さまざまなプロセスガスを半導体の基板に作用させる工程が数多くあり、ターボ分子ポンプはチャンバ内を真空にするのみならず、これらのプロセスガスをチャンバ内から排気するのにも使用される。
更に、ターボ分子ポンプは、電子顕微鏡等の設備において、粉塵等の存在による電子ビームの屈折等を防止するため、電子顕微鏡等のチャンバ内の環境を高度の真空状態にするのにも用いられている。

このようなターボ分子ポンプは、半導体製造装置や電子顕微鏡等のチャンバからガスを吸引排気するためのターボ分子ポンプ本体と、このターボ分子ポンプ本体を制御する制御装置とから構成されている。

ここで、ターボ分子ポンプ本体の縦断面図を図８に示す。
図８において、ターボ分子ポンプ本体１００は、円筒状の外筒１２７の上端に吸気口１０１が形成されている。外筒１２７の内方には、ガスを吸引排気するためのタービンブレードとしての複数の回転翼１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、・・・を周部に放射状かつ多段に形成した回転体１０３を備える。
この回転体１０３の中心にはロータ軸１１３が取り付けられており、このロータ軸１１３は、例えば、いわゆる５軸制御の磁気軸受により浮上支持かつ位置制御されている。

上側径方向電磁石１０４は、４個の電磁石が互いに直行するＸ軸とＹ軸とに対をなしロータ軸１１３を挟んで対向配置されている。このＸ軸とＹ軸は、ロータ軸１１３が磁気軸受の制御目標の位置にあるときのロータ軸１１３の軸芯に対して直角な平面上に想定されている。また、この上側径方向電磁石１０４の４個の電磁石の近傍には、それぞれの電磁石に対応し回転体１０３を挟んで対向配置された４個のコイルからなる上側径方向センサ１０７が備えられている。この上側径方向センサ１０７は回転体１０３の径方向位置を検出し、その信号を制御装置に送るように構成されている。
ロータ軸１１３は、高透磁率材（鉄など）などにより形成され、上側径方向電磁石１０４の磁力により吸引されるようになっている。

また、下側径方向電磁石１０５及び下側径方向センサ１０８が、上側径方向電磁石１０４及び上側径方向センサ１０７と同様に配置され、下側径方向センサ１０８が、ロータ軸１１３の下側の径方向位置を検出し、その信号を制御装置に送るように構成されている。そして、ロータ軸１１３の上側と下側の径方向位置が、制御装置の磁気軸受フィードバック制御手段により調整されている。

更に、軸方向電磁石１０６Ａ、１０６Ｂが、ロータ軸１１３の下部に備えた円板状の金属ディスク１１１を上下に挟んで配置されている。金属ディスク１１１は、鉄などの高透磁率材で構成されている。回転体１０３の軸方向位置を検出するために軸方向センサ１０９が備えられ、その軸方向位置信号が制御装置に送られるように構成されている。
軸方向電磁石１０６Ａは、磁力により金属ディスク１１１を上方に吸引し、軸方向電磁石１０６Ｂは、金属ディスク１１１を下方に吸引する。

このように、制御装置では、磁気軸受フィードバック制御手段により、軸方向電磁石１０６Ａ、１０６Ｂが金属ディスク１１１に及ぼす磁力を適当に調節し、ロータ軸１１３を軸方向に磁気浮上させ、空間に非接触で保持する。

モータ１２１は、その回転子側にロータ軸１１３を取り囲むように周状に配置された複数の永久磁石の磁極を備えている。そして、これらの永久磁石は、モータ１２１の固定子側である電磁石から、ロータ軸１１３を回転させるトルクが加えられるようになっており、回転体１０３が回転駆動されるようになっている。
また、モータ１２１には、図示しない回転数センサ及びモータ温度センサが取り付けられており、これらの回転数センサ及びモータ温度センサの検出信号を受けて、制御装置においてロータ軸１１３の回転が制御されている。

回転翼１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、・・・とわずかの空隙を隔てて複数枚の固定翼１２３ａ、１２３ｂ、１２３ｃ、・・・が配設されている。回転翼１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、・・・は、それぞれ排気ガスの分子を衝突により下方向に移送するため、ロータ軸１１３の軸線に垂直な平面から所定の角度だけ傾斜して形成されている。

また、固定翼１２３も、同様にロータ軸１１３の軸線に垂直な平面から所定の角度だけ傾斜して形成され、かつ外筒１２７の内方に向けて回転翼１０２の段と互い違いに配設されている。
そして、固定翼１２３の一端は、複数の段積みされた固定翼スペーサ１２５ａ、１２５ｂ、１２５ｃ、・・・の間に嵌挿された状態で支持されている。
固定翼スペーサ１２５はリング状の部材であり、例えばアルミニウム、鉄、ステンレス、銅などの金属、又はこれらの金属を成分として含む合金などの金属によって構成されている。

固定翼スペーサ１２５の外周には、わずかの空隙を隔てて外筒１２７が固定されている。外筒１２７の底部にはベース部１２９が配設され、固定翼スペーサ１２５の下部とベース部１２９の間にはネジ付きスペーサ１３１が配設されている。
このベース部１２９中のネジ付きスペーサ１３１の下部には排気口１３３が形成されている。そして、排気口１３３には、図示しないドライポンプ通路が接続されており、排気口１３３は、このドライポンプ通路を介して、図示しないドライポンプと接続されている。

ネジ付きスペーサ１３１は、アルミニウム、銅、ステンレス、鉄、又はこれらの金属を成分とする合金などの金属によって構成された円筒状の部材であり、その内周面に螺旋状のネジ溝１３１ａが複数条刻設されている。
ネジ溝１３１ａの螺旋の方向は、回転体１０３の回転方向に排気ガスの分子が移動したときに、この分子が排気口１３３の方へ移送される方向である。

回転体１０３の回転翼１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、・・・に続く最下部には円筒部１０２ｄが垂下されている。この円筒部１０２ｄの外周面は、ネジ付きスペーサ１３１の内周面に向かって張り出されており、このネジ付きスペーサ１３１の内周面と所定の隙間を隔てて近接されている。

ベース部１２９は、ターボ分子ポンプ本体１００の基底部を構成する円盤状の部材であり、一般には鉄、アルミニウム、ステンレスなどの金属によって構成されている。ベース部１２９はターボ分子ポンプ本体１００を物理的に保持すると共に、熱の伝導路の機能も兼ね備えているので、鉄、アルミニウムや銅などの剛性があり、熱伝導率も高い金属が使用されるのが望ましい。
また、ベース部１２９には、コネクタ１６０が配設されており、このコネクタ１６０には、ターボ分子ポンプ本体１００と制御装置とを電気的に接続するケーブルが接続されている。

かかる構成において、回転翼１０２がロータ軸１１３と共にモータ１２１により駆動されて回転すると、回転翼１０２と固定翼１２３の作用により、吸気口１０１を通じて、図示しないチャンバから排気ガスが吸気される。
吸気口１０１から吸気された排気ガスは、回転翼１０２と固定翼１２３の間を通り、ベース部１２９へ移送される。そして、ベース部１２９に移送されてきた排気ガスは、ネジ付きスペーサ１３１のネジ溝１３１ａに案内されつつ排気口１３３へと送られる。

ここで、図９にモータ１２１を駆動するモータドライバー回路のブロック図を示す。モータドライバー回路２００は、モータ１２１のステータのＵ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線に対しそれぞれ図１０のフローチャートに従った三相電流を流すため、Ｖ１８、Ｖ１９、Ｖ２０、Ｖ２１、Ｖ２２、Ｖ２３の６つのＦＥＴ素子からなる三相ブリッジ回路２１０を備えている。そして、例えばセクション１では、Ｖ１８とＶ２１とをＯＮしてＵ相からＶ相方向に電流を流す。また、セクション２では、Ｖ１８とＶ２３とをＯＮしてＵ相からＷ相方向に電流を流す。以下、セクション３以降も順次フローチャートに従ってＦＥＴ素子を切り替えることで回転磁界を生ずるようになっている。

この三相ブリッジ回路２１０の一端は短絡保護素子２０１を介してコンデンサ２０３の一端と接続されている。一方、三相ブリッジ回路２１０の他端はモータ電流検出回路２０５を介してコンデンサ２０３の他端と接続されている。コンデンサ２０３の一端は更に回生抵抗２０７の一端及び電源の正極２０９に接続されている。コンデンサ２０３の他端は回生抵抗駆動ＦＥＴ２１１を介して回生抵抗２０７の他端に接続されると共に電源の負極２１３に接続されている。回生抵抗２０７の両端にはこの回生抵抗２０７と並列にダイオード２１５が接続されている。

ポンプ加速時、図示しないドライバー制御用ＣＰＵは、モータ電流検出回路２０５によって検出されたモータ１２１に通電される電流値が所定の一定電流値になるように三相ブリッジ回路２１０の各ＦＥＴをＰＷＭ制御しつつ、図示しない回転数センサにより図１０のタイミングに従って、各相を転流させて所定の回転数になるように制御する。またブレーキ時は、所定の電流値になるように三相ブリッジ回路２１０のＦＥＴをＰＷＭ制御し、上記加速タイミングと逆方向に各相を転流させつつ、モータ１２１からの回生電力を回生抵抗２０７によって熱エネルギー消費させるため、回生抵抗駆動ＦＥＴ２１１をＯＮ・ＯＦＦさせる。
また回生抵抗２０７は、より大きなエネルギー消費をさせるため、大容量（大型）なタイプを用いたり、ヒートシンク上に実装し、空冷ＦＡＮで冷却している。

ところで、従来、この回生抵抗でのエネルギー消費が安全な範囲で行われるようにするため、回生エネルギーを計算し、所定の回生エネルギーを超えることが無いように複数台のモータに対しそれぞれ回生制動を行うか否かを自動選択できるようにした技術が開示されている（特許文献１）。

特開２００６−１９４０９４号公報

しかしながら、特許文献１では複数台のモータからの回生制動を制御することで回生抵抗でのエネルギー消費が安全な範囲で行われることを目的としており、各モータそれぞれにおける回生抵抗の発熱を抑制したりブレーキ時間を短縮するものではない。

この各モータ単体において、ブレーキ時間を短くするため、発生する回生エネルギーを、回生抵抗２０７で仮に常時通電させると、回生抵抗２０７の発熱が大となり、その温度が上昇する。このため、熱容量の大きな回生抵抗２０７を使用したり、ヒートシンクを付け、風量の大きいＦＡＮを使用して冷却する必要がある。しかしこれら部品の使用は、コストアップを招くほか、コントローラの寸法が大きくなる問題があった。
一方、回生抵抗２０７への通電量を小さくすることにより、回生抵抗２０７の発熱を抑制できるが、ブレーキ時間が増大するという性能上の問題が発生する。

本発明はこのような従来の課題に鑑みてなされたもので、特に容量の大きな回生抵抗やヒートシンクを採用したり、より風量の大きなＦＡＮを使用しなくても、回生抵抗の発熱を仕様温度範囲に抑制でき、適正なブレーキ時間を得つつ、コンパクトで低コストな磁気軸受装置及び該磁気軸受装置を搭載した真空ポンプを提供することを目的とする。

このため本発明（請求項１）の磁気軸受装置は、ロータ軸を浮上支持する磁気軸受手段と、前記ロータ軸を回転させるモータと、該モータを駆動するモータ駆動回路と、前記モータのモータ速度を検出するモータ速度検出手段と、前記モータ駆動回路に流れる電流を検出する電流検出手段と、前記モータのブレーキ動作時に前記モータ駆動回路から回生された電流が流される回生抵抗と、前記モータのブレーキ動作時に、該回生抵抗の温度が許容温度を超えないように、かつ、高速回転時は、該回生抵抗によるエネルギー消費を小さくし、減速するに従ってエネルギー消費を増加させるように前記モータ速度検出手段で検出したモータ速度に応じて前記モータの駆動電流設定値を演算するモータ駆動電流設定値演算手段と、前記電流検出手段で検出した電流が該モータ駆動電流設定値演算手段で演算した駆動電流設定値となるように駆動電流を調整する駆動電流調整手段と、前記回生抵抗に対し直列接続され、電流を流すか否か制御する制御素子と、一端が前記回生抵抗の一端に接続され、他端が前記制御素子を介して前記回生抵抗の他端に接続されるコンデンサと、前記モータ駆動回路の電圧を検出する電圧検出手段と、該電圧検出手段で検出した電圧が設定電圧値以下となるように前記制御素子をＯＮ、ＯＦＦ駆動する制御素子駆動手段と、を備え、前記モータ駆動回路では前記駆動電流調整手段で調整した駆動電流に基づき前記モータが駆動されることを特徴とする。

モータのブレーキ動作時にモータ速度に応じてモータの駆動電流設定値を演算することで、高速回転時は回生エネルギーの消費を小さくし、減速するに従って回生エネルギーの消費を大きくできる。

更に、本発明（請求項２）の磁気軸受装置は、前記モータ駆動電流設定値演算手段で演算される駆動電流設定値は、前記モータの最大定格回転数における初期電流値が最大ブレーキ電流値より小さい値であり、減速していくモータ速度に応じて大きい値になることを特徴とする。

これにより回生抵抗のエネルギーがモータ速度に応じて調節される。従って、回生抵抗の許容温度を超えない目一杯の範囲で短時間での減速ができるようになる。従って、容量の大きな回生抵抗やヒートシンクを採用したり、より風量の大きなＦＡＮを使用しなくても、回生抵抗の発熱を仕様温度範囲に抑制でき、適正なブレーキ時間を得ることができる。

更に、本発明（請求項３）の磁気軸受装置は、前記駆動電流設定値は所定値以上にならないようにリミットがかけられたことを特徴とする。

更に、本発明のモータドライバー回路は、モータと、該モータを駆動するモータ駆動回路と、前記モータのブレーキ動作時に該モータ駆動回路から回生された電流が流される電源に対し並列に配置された回生抵抗と、該回生抵抗に対し直列接続され、電流を流すか否か制御する制御素子と、前記回生抵抗の温度を検出する温度検出手段と、該温度検出手段で検出した温度が所定値以下になるように前記モータの駆動電流指令値を演算する駆動電流指令値演算手段と、前記モータ駆動回路の電圧を検出する電圧検出手段と、該電圧検出手段で検出した電圧が設定電圧値以下となるように前記制御素子をＯＮ、ＯＦＦ駆動する制御素子駆動手段とを備えて構成してもよい。

回生抵抗の温度を直接検出しつつ、この回生抵抗の発熱を仕様温度範囲に抑制するため、回生抵抗の許容温度を超えない目一杯の範囲で短時間での減速ができる。

更に、本発明のモータドライバー回路は、モータと、該モータを駆動するモータ駆動回路と、前記モータのブレーキ動作時に該モータ駆動回路から回生された電流が流される電源に対し並列に配置された回生抵抗と、回生抵抗に対し直列接続され、電流を流すか否か制御する制御素子と、前記モータのモータ速度を検出するモータ速度検出手段と、前記モータ駆動回路に流れる電流を検出する電流検出手段と、モータ速度と前記制御素子のＯＮ、ＯＦＦ信号のデューティサイクルとの関連を規定したテーブルと、該テーブルより前記モータのブレーキ動作時に前記モータ速度検出手段で検出したモータ速度に応じた前記制御素子のＯＮ、ＯＦＦ信号のデューティサイクルを算出するデューティサイクル算出手段と、該デューティサイクル算出手段で算出したデューティサイクルに基づき前記制御素子をＯＮ、ＯＦＦ制御する制御素子制御手段とを備えて構成してもよい。

テーブルに基づきモータ速度に応じた制御素子のＯＮ、ＯＦＦ信号のデューティサイクルを算出可能なので、制御が容易に行える。

更に、本発明のモータドライバー回路は、モータと、該モータを駆動するモータ駆動回路と、前記モータのブレーキ動作時に該モータ駆動回路から回生された電流が流される電源に対し並列に配置された回生抵抗と、該回生抵抗に対し直列接続され、電流を流すか否か制御する制御素子と、前記回生抵抗の温度を検出する温度検出手段と、該温度検出手段で検出した温度が所定値以下になるように前記制御素子をＯＮ、ＯＦＦ制御する制御素子ＯＮ、ＯＦＦ制御手段とを備えて構成してもよい。

更に、本発明のモータドライバー回路は、前記制御素子ＯＮ、ＯＦＦ制御手段で制御されるＯＮ、ＯＦＦ信号のデューティサイクルは、前記温度検出手段で検出した温度が高いときに通電間隔が短く設定され、温度が低いときに通電時間が長く設定されることを特徴としてもよい。

更に、本発明のモータドライバー回路は、前記モータ駆動回路の電圧を検出する電圧検出手段と、該電圧検出手段で検出した電圧が設定電圧値以下となるように駆動電流を調整する駆動電流調整手段と、前記モータ駆動回路では該駆動電流調整手段で調整した駆動電流に基づき前記モータが駆動されることを特徴としてもよい。

更に、本発明（請求項４）の真空ポンプは、請求項１〜３に記載の磁気軸受装置を搭載したことを特徴とする。

以上説明したように本発明によれば、モータのブレーキ動作時にモータ速度に応じてモータの駆動電流設定値を演算するように構成したので、高速回転時は回生エネルギーの消費を小さくし、減速するに従って回生エネルギーの消費を大きくできる。

本発明の第１実施形態のブロック構成図モータに供給する電流値とモータ速度及び停止時間の関係、並びにモータに供給する電流値と回生抵抗の温度の関係モータ電流値とモータ速度、停止時間、回生抵抗の温度の関係本発明の第２実施形態のブロック構成図本発明の第２実施形態の動作フロー本発明の第３実施形態のブロック構成図本発明の第４実施形態のブロック構成図ターボ分子ポンプ本体の縦断面図モータドライバー回路のブロック図モータ駆動フローチャート

以下、本発明の実施形態について説明する。本発明の第１実施形態のブロック構成図を図１に示す。なお、図９と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。
図１において、モータ電流検出回路２０５で検出したモータ電流はマイクロプロセッサ２２１及び三相ブリッジ制御回路２２５に入力されるようになっている。また、回転数センサ２２３によりモータ速度が検出され、マイクロプロセッサ２２１に入力されるようになっている。マイクロプロセッサ２２１では、入力されたモータ速度に基づき所定の演算が行われ、電流指令値が求められるようになっている。三相ブリッジ制御回路２２５では、モータ電流検出回路２０５で検出したモータ電流がこの電流指令値となるようにＰＩＤ補償演算等が行われ、この補償された信号に基づき三相ブリッジ回路２１０の各ＦＥＴがＰＷＭ制御されるようになっている。

また、ドライバ部直流電圧検出回路２２７では、モータドライバー回路２００の電圧をコンデンサ２０３の両端の電圧を基に検出するようになっている。そして、このドライバ部直流電圧検出回路２２７で検出された直流電圧値が所定値（例えば１３５ボルト）以下になるように、回生抵抗駆動ＦＥＴ２１１がＯＮ、ＯＦＦ制御されるようになっている。

次に、本発明の第１実施形態の動作を説明する。
図２には、モータに供給する電流値とモータ速度及び停止時間の関係、並びにモータに供給する電流値と回生抵抗の温度の関係を概念図として示す。図２の左部のモータ加速領域においては、モータに供給する電流値を所定値に設定することでモータ速度がほぼ線形に増加する。そして、一旦定格運転に至ったときには、ポンプが真空引きで負荷が余り掛からないことから電流値もほんのわずかの値で済む。

その後、ブレーキ領域（図中右部）に入るが、このとき回生電流を最大ブレーキ電流値Ｉ_{set_brake_max}（例えば１５［Ａ］程度）でこのブレーキ領域中継続して流すと仮定すると、速度特性は図中ａで示すようにモータ速度は理想的に素早く落とすことができる。しかしながら、その一方で、回生エネルギーは回生抵抗２０７で急激に消費されるため、図２の回生抵抗の温度特性中にｄで示すように限界温度である例えば３００度を短時間の内にはるかに超えてしまう。

また、ブレーキ領域に入った時点でＩ_{set_brake_n0}（例えば６［Ａ］程度）をブレーキ期間中継続して流すと仮定すると、回生エネルギーは回生抵抗２０７で徐々に消費されるため、図２の回生抵抗の温度特性中にｅで示すように限界温度である例えば３００度を超えない回生を行うことができるが、その一方で、速度特性は図中ｂで示すようにモータ速度が落ちるまでに長時間を要してしまう。

そこで、かかる不都合を回避するため、本実施形態では、回生の初期段階ではモータ速度に応じて速度特性がｂの傾斜から少しずつａの傾斜に近づくように回生電流を制御することにしたものである。そして、この一方で回生電流が最大ブレーキ電流値Ｉ_{set_brake_max}に至った場合には、それ以上の電流を流さないようにリミットをかけることにしたものである。
即ち、図中右側部のブレーキ領域では、加速時とは逆方向に各相を転流させつつ電流を回生させる。このときのブレーキ動作時の回生エネルギーは、ブレーキ電流設定値Ｉ_{set_brake}を数１に示すようにモータ速度に応じて減速させることで調節する。

ここに、Ｉ_{set_brake_n0}は初期ブレーキ電流値であり、ｎ₀は最大定格回転速度、ｎは回転速度である。
ブレーキ電流設定値Ｉ_{set_brake}は、図２に示すように、ブレーキ領域に入った時点では初期ブレーキ電流値Ｉ_{set_brake_n0}が設定される。その後、数１に基づきモータ速度が減速されるに連れて次第に大きくなり、最大ブレーキ電流値Ｉ_{set_brake_max}に至った場合にそれ以上大きな電流値とならないようにリミットがかけられる。このように、ブレーキ動作時、最大定格回転数での初期ブレーキ電流値を低く設定し、減速していく回転速度に応じブレーキ電流を増加させるように制御する。
即ち高速回転時は、回生抵抗によるエネルギー消費を小さくし、減速するに従ってエネルギー消費を増加させるようにする。

図１のブロック図に基づき説明すると、ブレーキ領域に入ったときマイクロプロセッサ２２１では、回転数センサ２２３で検出した減速回転数に応じて回生されるモータ電流設定値の大きさを数１に基づき演算し出力する。三相ブリッジ制御回路２２５では、このモータ電流設定値をモータ電流検出回路２０５で検出した電流値と比較し、偏差が０となるように三相ブリッジ回路２１０のゲートをＯＮ、ＯＦＦ制御する。このように、マイクロプロセッサ２２１は三相ブリッジ回路２１０を電流フィードバックで制御しつつ、ドライバ部直流電圧検出回路２２７で検出された直流電圧値が例えば１３５ボルト以下になるように、回生抵抗駆動ＦＥＴ２１１をＯＮ、ＯＦＦさせる。これにより回生抵抗のエネルギーがモータ速度に応じて調節される。従って、回生抵抗２０７の許容温度を超えない目一杯の範囲で短時間での減速ができるようになる。

なお、以上のモデルに基づき実際に実験した結果を図３に示す。図３において、ｇの線はモータ電流設定値を１５［Ａ］一定で指定したときのモータ速度−停止時間の特性を示し、ｈの線はモータ電流設定値を６［Ａ］一定で指定したときのモータ速度−停止時間の特性を示す。そして、ｉの曲線は数１に基づきモータ速度に応じてモータ電流設定値を指定したときのモータ速度−停止時間の特性を示す。

ｇのように、モータ電流設定値を１５［Ａ］一定で指定したときには、停止時間の経過に伴い回生抵抗２０７の温度は図中ｊで示すように急激に立ち上がるため、回生抵抗２０７の許容温度を短時間の内に超えてしまう。一方、ｈのように、モータ電流設定値を６［Ａ］一定で指定したときには、停止時間の経過に伴い回生抵抗２０７の温度は図中ｋで示すようにゆるやかで、かつ最大温度でも２５０度を超えない。しかしながら、モータ停止までに１４００秒程要してしまう。これに対し、ｉのように数１に基づきブレーキ電流設定値Ｉ_{set_brake}を指定したときには回生抵抗２０７の温度は図中ｌで示すようにほぼ最大温度でも２８０度程度となり、回生抵抗２０７の許容温度一杯内でありつつ停止時間は８００秒程に短縮できる。

このことにより、容量の大きな回生抵抗やヒートシンクを採用したり、より風量の大きなＦＡＮを使用しなくても、回生抵抗の発熱を仕様温度範囲に抑制できる。また、適正なブレーキ時間を得つつ、コンパクトで低コストなモータドライバー回路を実現できる。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。本発明の第２実施形態のブロック構成図を図４に示す。なお、図１と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。
図４において、温度検出回路２３１は回生抵抗２０７の温度を検出しマイクロプロセッサ２２１に出力するようになっている。マイクロプロセッサ２２１では、この温度が所定値以下になるように電流指令値を設定するようになっている。三相ブリッジ制御回路２２５では、モータ電流検出回路２０５で検出したモータ電流がこの電流指令値となるようにＰＩＤ補償演算等が行われ、この補償された信号に基づき三相ブリッジ回路２１０の各ＦＥＴがＰＷＭ制御されるようになっている。

次に、本発明の第２実施形態の動作フローを図５を基に説明する。
図５において、ステップ１（図中Ｓ１と略す。以下同旨）では、マイクロプロセッサ２２１が温度検出回路２３１で検出した回生抵抗２０７の温度が所定値より高いか、低いかを判断する。そして、低かった場合には、ステップ２で三相ブリッジ制御回路２２５に対する電流指令値を増加させる。この電流指令値に基づき三相ブリッジ制御回路２２５では三相ブリッジ回路２１０の各ＦＥＴに対しＯＮ、ＯＦＦ信号を発する。この結果、ステップ３でモータドライバー回路２００の電圧が増加する。このため、ステップ４では、マイクロプロセッサ２２１はこの電圧が所定値以下になるように回生抵抗２０７への通電時間間隔を増加させる。このことにより、ステップ５では、回生抵抗２０７のエネルギー消費が増加し回生抵抗２０７の温度が高くなる。

一方、ステップ６のように、温度検出回路２３１で検出した回生抵抗２０７の温度が所定値より高い場合、ステップ７で三相ブリッジ制御回路２２５に対する電流指令値を減少させる。この結果、ステップ８でモータドライバー回路２００の電圧が減少する。このため、ステップ９では、マイクロプロセッサ２２１は回生抵抗２０７への通電時間間隔を減少させる。このことにより、ステップ１０では、回生抵抗２０７のエネルギー消費が減少し回生抵抗２０７の温度が低くなる。
このことにより、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

次に、本発明の第３実施形態について説明する。本発明の第３実施形態のブロック構成図を図６に示す。なお、図１と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。
図６において、マイクロプロセッサ２２１では、図示しない記憶領域に予め設定されたルックアップテーブルが保存されている。このルックアップテーブルはモータ速度に対する回生抵抗駆動ＦＥＴ２１１のＯＮ／ＯＦＦデーティサイクルを規定したものである。そして、マイクロプロセッサ２２１は回転数センサ２２３で検出したモータ速度に応じてルックアップテーブルを参照し、該当するＯＮ／ＯＦＦデーティサイクルを抽出して、このＯＮ／ＯＦＦデーティサイクルに基づき回生抵抗駆動ＦＥＴ２１１のゲート信号を駆動するようになっている。

一方、マイクロプロセッサ２２１では、ドライバ部直流電圧検出回路２２７で検出された直流電圧値が所定値（例えば１３５ボルト）以下になるように、電流指令値が求められるようになっている。三相ブリッジ制御回路２２５では、モータ電流検出回路２０５で検出したモータ電流がこの電流指令値となるようにＰＩＤ補償演算等が行われ、この補償された信号に基づき三相ブリッジ回路２１０の各ＦＥＴがＰＷＭ制御されるようになっている。

次に、本発明の第３実施形態の動作を説明する。
ルックアップテーブルを設定するに際しては、回生抵抗２０７の温度が仕様以下で最適なエネルギー消費をする駆動パターンを事前に実験等により評価・決定する必要がある。
回生抵抗２０７の通電パターンイメージの例としては例えば第１実施形態のように、モータ速度が高いときには、回生抵抗駆動ＦＥＴ２１１のゲート信号の通電時間を短くし、一方、モータ速度が低いときには、通電時間を長くする。但し、ドライバ部直流電圧検出回路２２７で検出した直流電圧が所定値（例えば１２５Ｖ）以下になった場合は回生抵抗駆動ＦＥＴ２１１のゲート信号の駆動をＯＦＦする。

また、マイクロプロセッサ２２１では、ドライバ部直流電圧検出回路２２７で検出された直流電圧値が所定値（例えば１３５ボルト）以下になるように、電流指令値が求められるようになっている。三相ブリッジ制御回路２２５では、モータ電流検出回路２０５で検出したモータ電流がこの電流指令値となるようにＰＩＤ補償演算等が行われ、この補償された信号に基づき三相ブリッジ回路２１０の各ＦＥＴがＰＷＭ制御されるようになっている。
このことにより、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

次に、本発明の第４実施形態について説明する。本発明の第４実施形態のブロック構成図を図７に示す。なお、図４と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。
図７において、マイクロプロセッサ２２１では、温度検出回路２３１で検出した温度が所定値以下になるように回生抵抗駆動ＦＥＴ２１１のゲート信号を駆動するようになっている。

次に、本発明の第４実施形態の動作を説明する。
マイクロプロセッサ２２１では、具体的には、検出した温度が高いときには、回生抵抗２０７への通電時間間隔を短くし、一方、検出した温度が低いときには、回生抵抗２０７への通電時間間隔を長くする。但し、ドライバ部直流電圧検出回路２２７で検出した直流電圧が所定値（例えば１２５Ｖ）以下になった場合は回生抵抗駆動ＦＥＴ２１１のゲート信号の駆動をＯＦＦする。
このことにより、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

１２１モータ
２００モータドライバー回路
２０５モータ電流検出回路
２０７回生抵抗
２１０三相ブリッジ回路
２１１回生抵抗駆動ＦＥＴ
２２１マイクロプロセッサ
２２３回転数センサ
２２５三相ブリッジ制御回路
２２７ドライバ部直流電圧検出回路
２３１温度検出回路

Claims

ロータ軸（１１３）を浮上支持する磁気軸受手段（１０４、１０５、１０６）と、
前記ロータ軸（１１３）を回転させるモータ（１２１）と、
該モータ（１２１）を駆動するモータ駆動回路（２１０）と、
前記モータ（１２１）のモータ速度を検出するモータ速度検出手段（２２３）と、
前記モータ駆動回路（２１０）に流れる電流を検出する電流検出手段（２０５）と、
前記モータ（１２１）のブレーキ動作時に前記モータ駆動回路（２１０）から回生された電流が流される回生抵抗（２０７）と、
前記モータ（１２１）のブレーキ動作時に、該回生抵抗（２０７）の温度が許容温度を超えないように、かつ、高速回転時は、該回生抵抗によるエネルギー消費を小さくし、減速するに従ってエネルギー消費を増加させるように前記モータ速度検出手段（２２３）で検出したモータ速度に応じて前記モータ（１２１）の駆動電流設定値を演算するモータ駆動電流設定値演算手段（２２１）と、
前記電流検出手段（２０５）で検出した電流が該モータ駆動電流設定値演算手段（２２１）で演算した駆動電流設定値となるように駆動電流を調整する駆動電流調整手段（２２５）と、
前記回生抵抗（２０７）に対し直列接続され、電流を流すか否か制御する制御素子（２１１）と、
一端が前記回生抵抗（２０７）の一端に接続され、他端が前記制御素子（２１１）を介して前記回生抵抗（２０７）の他端に接続されるコンデンサ（２０３）と、
前記モータ駆動回路（２１０）の電圧を検出する電圧検出手段（２２７）と、
該電圧検出手段（２２７）で検出した電圧が設定電圧値以下となるように前記制御素子（２１１）をＯＮ、ＯＦＦ駆動する制御素子駆動手段（２２１）と、
を備え、
前記モータ駆動回路（２１０）では前記駆動電流調整手段（２２５）で調整した駆動電流に基づき前記モータ（１２１）が駆動されることを特徴とする磁気軸受装置。
前記モータ駆動電流設定値演算手段（２２１）で演算される駆動電流設定値は、前記モータ（１２１）の最大定格回転数における初期電流値Ｉ_{set_brake_n0}が最大ブレーキ電流値Ｉ _{set_brake_max} より小さい値であり、減速していくモータ速度に応じて大きい値になることを特徴とする請求項１記載の磁気軸受装置。
前記駆動電流設定値は所定値以上にならないようにリミットＩ_{set_brake_max}がかけられたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の磁気軸受装置。
請求項１〜３に記載の磁気軸受装置を搭載したことを特徴とする真空ポンプ。