JP5682157B2 - 真空ポンプ用モータ駆動装置およびポンプシステム - Google Patents

Description

本発明は、ターボ分子ポンプ等の真空ポンプに用いられる真空ポンプ用モータ駆動装置、およびその真空ポンプ用モータ駆動装置を備えたポンプシステムに関する。

ターボ分子ポンプでは回転翼が形成されたロータをモータで回転駆動し、この回転翼を固定翼に対して高速回転させることにより気体分子を排気している。そのようなターボ分子において、モータをＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御により回転駆動するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−８２３７０号公報

ところで、従来のターボ分子ポンプでは、インバータ入力電圧がモータ最大負荷に対応した最大電圧値に固定されており、ＰＷＭ制御によりモータ電流を制御するようにしている。そのため、モータ負荷が軽負荷となった時にＰＷＭ信号のデューティ比が極めて小さくなり、モータ電流の高調波成分の割合が大きくなる。その結果、高調波成分による渦電流損の割合が増加し、電力ロスの増大や、ロータ温度の上昇を招くという問題があった。

請求項１の発明は、排気機能部が形成されたロータをモータで回転駆動して排気を行う真空ポンプに用いられる真空ポンプ用モータ駆動装置であって、モータを駆動するインバータと、インバータのインバータ入力電圧として異なる複数の設定電圧を有する直流電圧源と、モータの回転数が所定の目標回転数に維持されるようにＰＷＭ信号のデューティ比を設定し、インバータをＰＷＭ制御するモータ制御回路と、デューティ比の大きさに応じて直流電圧源の設定電圧を切り換える電圧切換手段と、を備え、電圧切換手段は、第１の設定電圧においてデューティ比が第１の閾値以下の場合には、該第１の設定電圧からより低電圧の第２の設定電圧へ切り換え、第２の設定電圧においてデューティ比が第２の閾値以上の場合には、該第２の設定電圧から第１の設定電圧へ切り換え、第１および第２の閾値は、第２の閾値におけるモータ負荷が第１の閾値におけるモータ負荷よりも大きくなるように設定され、直流電圧源は設定電圧を３以上有し、最も低い設定電圧を除く他の設定電圧における第１の閾値は、互いに等しい値に設定されていることを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載の真空ポンプ用モータ駆動装置において、第１の閾値は、モータ電流中の高調波成分が所定比率以下となるように設定されていることを特徴とする。
請求項３の発明によるポンプシステムは、排気機能部が形成されたロータをモータで回転駆動して排気を行う真空ポンプと、請求項１または２に記載の真空ポンプ用モータ駆動装置と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、モータ電流の高調波成分を低減することができる。

ターボ分子ポンプのポンプユニット１を示す断面図である。 モータ駆動制御部のブロック図である。 インバータ４３を示す図である。 励磁シーケンスを説明する図である。 ＰＷＭ制御時のＰＷＭ電圧波形とモータ電流波形とを示す図である。 デューティ比の設定方法を説明する図である。 インバータ入力電圧およびデューティ比の制御を説明するフローチャートである。 モータ駆動開始後のデューティ比、インバータ入力電圧および回転数の時間的変化の一例を示す図である。 モータ負荷とデューティ比との関係を示す図である。 インバータ入力電圧を３段階で切り換える場合の一例を示す図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。ターボ分子ポンプは、ポンプシステムとして、真空排気を行うポンプユニットと、ポンプユニットを駆動制御するコントロールユニット（不図示）とを備えている。図１は、ポンプユニット１の概略構成を示す断面図である。図１に示したターボ分子ポンプは磁気軸受式のポンプであり、ロータ３０は、５軸磁気軸受を構成する電磁石３７，３８によって非接触支持される。磁気軸受によって回転自在に磁気浮上されたロータ３０は、モータ３６により高速回転駆動される。モータ３６には、例えば、ＤＣブラシレスモータが用いられる。ロータ３０の回転数は回転数センサ２３によって検出される。回転数センサ２３には、例えばインダクタンス式のセンサが用いられる。

ロータ３０には、排気機能部として、複数段の回転翼３２と円筒状のネジロータ３１とが形成されている。一方、固定側には、排気機能部として、軸方向に対して回転翼３２と交互に配置された複数段の固定翼３３と、ネジロータ３１の外周側に設けられたネジステータ３９が設けられている。各固定翼３３は、それぞれ一対のスペーサリング３５によって軸方向上下から挟持されるように積層され、ベース２０上に載置されている。吸気口フランジ２１が形成されたポンプケーシング３４をベース２０に固定すると、積層されたスペーサリング３５がベース２０とポンプケーシング３４との間に挟持され、各固定翼３３が位置決めされる。

ベース２０には排気ポート２２が設けられ、この排気ポート２２にバックポンプが接続される。ロータ３０を磁気浮上させつつモータ３６により高速回転駆動することにより、吸気口２１側の気体分子は排気ポート２２側へと排気される。

ポンプユニットに接続されるコントロールユニットには、磁気軸受制御部、モータ３６を回転駆動するためのモータ駆動制御部等が備えられている。図２はモータ駆動制御部ブロック図である。外部からのＡＣ２００Ｖ電源は整流器を含む力率改善回路４０に入力される。力率改善回路４０から出力された直流電圧はＤＣ／ＤＣコンバータ４１により所望の直流電圧に変換される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ４１からインバータ４３に入力される直流電圧（以下、インバータ入力電圧と称する）の電圧値は、電圧センサ４２により検出される。検出された電圧値はモータ制御回路４４に入力される。後述するように、本実施の形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ４１はインバータ入力電圧に関して複数の設定電圧を備えており、モータ制御回路４４からの電圧指令によって、それらの設定電圧を切り換えることができる。

インバータ４３には、ＤＣ／ＤＣコンバータ４１からの直流電圧を３相交流電圧に変換するためのスイッチング素子が複数備えられている。インバータ４３に設けられた複数のスイッチング素子のオンオフは、モータ制御回路４４からのＰＷＭ（Pulse Width Modulation）指令により制御される。電流指令として出力しているＰＷＭ信号のデューティ比を変えてモータ電流を変化させることにより、モータ電力の制御を行っている。モータ電流の値は電流センサ４５によって検出される。電流センサ４５によって検出された電流値、および、回転数センサ２３によって検出された回転数は、モータ制御回路４４に入力される。

図３は、インバータ４３を示す図である。インバータ４３には、複数のスイッチング素子Tr1〜Tr6が設けられている。スイッチング素子Tr1〜Tr6には、MOSFETやIGBTなどのパワー半導体素子が用いられる。３６１はモータ３６のモータステータである。回転数センサ２３の回転情報に基づいてスイッチング素子Tr1〜Tr6を所定のタイミングでオンオフすることにより、モータステータ３６１のＵ，Ｖ，Ｗ相コイルに電流を供給してモータ３６を回転駆動する。

図４は、１２０度通電でモータ３６を駆動する場合の励磁シーケンスを示したものであり、各スイッチング素子Tr1〜Tr6のオンオフタイミング、および、Ｕ相電流，Ｖ相電流，Ｗ相電流を示したものである。丸で囲った１〜１２の数字はステップ順を示している。スイッチング素子Tr1〜Tr6は、High信号でオンされ、Low信号でオフされる。例えば、ステップ１では、図３のスイッチング素子Tr1およびTr5がオンされ、Ｕ相コイルに正方向の電流が流れ、Ｖ相コイルに負方向の電流が流れる。続くステップ２では、スイッチング素子Tr1およびTr6がオンされ、Ｕ相コイルに正方向の電流が流れ、Ｗ相コイルには負方向の電流が流れる。

図４に示すような手順でスイッチング素子Tr1〜Tr6をオンオフすることにより、モータステータ３６１に回転磁界が形成され、その回転磁界によってモータロータが回転駆動される。モータロータの回転速度（すなわち回転数）は、スイッチングの周期を変えることにより可変とされる。また、図４に示すHigh信号の区間におけるＰＷＭ信号のデューティ比を変えることによって、モータ電流の制御、すなわちモータ電力の制御が行われる。デューティ比を大きくするとモータ電流は大きくなり、逆に、デューティ比を小さくするとモータ電流が小さくなる。

上述のように、モータ回転速度（すなわち回転数）は図４に示すスイッチングの周期によって決まり、スイッチング周期を短くすれば回転速度は速くなり、逆に、スイッチング周期を長くすれば回転速度は遅くなる。しかし、ガス負荷等が加わってモータ負荷が増大した場合、そのときのモータ電力が小さいとスイッチング周期で決まる回転数を維持できなくなって、モータの回転数が減少する。

一般に、ターボ分子ポンプを使用する場合には、モータ回転が一定の目標回転数（通常は定格回転数）とされ、その目標回転数に維持できる程度の電力で回転駆動されている。そのため、ガス流入量ゼロの状態からガス流入が開始されてモータ負荷が増加した場合には、モータ電流を増加させてモータ回転数を定格回転数に維持するようにしている。すなわち、デューティ比を制御して定格回転数が維持されるようにしている。ガス流入が停止されて再び無負荷状態となると、モータ電力が大きいままだと回転数が上昇傾向となるので、回転数が一定に維持されるようにデューティ比を変化させる制御が働き、再びデューティ比は低下する。

従来のターボ分子ポンプではインバータ入力電圧が一定値に固定されているため、上述したモータ電力の調整はＰＷＭ信号のデューティ比を変化させることで行っている。図５はＰＷＭ制御を行った場合のモータ電圧波形（ＰＷＭ電圧波形）とモータ電流波形とを示したものである。図５（ａ），（ｂ）はガス流量がゼロの無負荷定格回転（低負荷）の場合を示し、図５（ｃ），（ｄ）はモータ負荷が高負荷の場合を示す。高負荷の場合、モータ電流を大きくするようにデューティ比Ｄが大きな値に設定され、そのときのＰＷＭ電圧波形は図５（ｃ）に示すようになる。図５（ｃ）に示す例では、デューティ比ＤはＤ2＝Δｔ2／Δｔとなっている。図５（ｄ）は、図５（ｃ）に示すＰＷＭ電圧波形の場合のモータ電流波形を示す。

一方、無負荷定格回転時には、回転を維持するために必要なモータ電力は非常に小さくて済む。従来のターボ分子ポンプにおいては、インバータ入力電圧はモータの最大負荷に合わせた電圧に設定されている。そのため、無負荷定格回転時のデューティ比Ｄは、図５（ａ）に示すように小さな値Ｄ1（＝Δｔ1／Δｔ）となる。その結果、高調波でない成分に対する高調波成分の比率が大きくなって鉄損（渦電流損）が割合的に多くなり、ロータ温度上昇などに起因する無駄な電流が流れることが問題である。

そこで、本実施の形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ４１の出力電圧、すなわちインバータ入力電圧を高電圧ＶHだけでなく、より低い低電圧ＶLにも調整できるように構成した。すなわち、電圧を高電圧ＶHと低電圧ＶLとの間で任意に設定できるようにした。そして、モータ制御回路４４からの電圧指令により、高負荷時にはインバータ入力電圧を高電圧ＶHとし、低負荷時にはインバータ入力電圧を低電圧ＶLに変更するようにした。なお、高電圧ＶHと低電圧ＶLとの間で電圧を変更する場合には、過電流が流れないように徐々に電圧を変更するようにした。

図６は、本実施の形態におけるデューティ比の設定方法を説明する図である。図６（ａ），（ｂ）は高負荷時、例えばガス負荷が大きい場合におけるＰＷＭ電圧波形とモータ電流波形とを示したものである。一方、図６（ｃ），（ｄ）は低負荷時、例えばガス負荷が比較的小さい場合や無負荷時におけるＰＷＭ電圧波形とモータ電流波形とを示したものである。ここでは、無負荷定格回転時における状況を示した。

高電圧ＶHは、従来のターボ分子ポンプにおけるインバータ入力電圧と同程度に設定される。そのため、図６（ａ）に示すように、高負荷時におけるデューティ比Ｄは図５（ｃ）に示す場合のデューティ比Ｄ2の場合と同様に大きくなる。

一方、低電圧ＶLは、無負荷定格回転時におけるデューティ比Ｄが、図５（ａ）に示す従来の無負荷定格回転時におけるデューティ比Ｄ1よりも大きくなるように設定されている。図５（ａ），（ｂ）に示す状態から図６（ｃ），（ｄ）に示す状態に切り換える場合、低電圧ＶLとなった場合のデューティ比Ｄ3（＝Δｔ3／Δｔ）は、モータに供給される電力がインバータ入力電圧の設定切換前後でほぼ等しくなるように、すなわち図５（ａ），（ｂ）の場合の電力と図６（ｃ），（ｄ）に示す場合の電力とがほぼ等しくなるように設定される。言い換えると、無負荷時には、インバータ入力電圧が低電圧ＶLの場合にはデューティ比Ｄ1で定格回転数Ｎ0に維持され、インバータ入力電圧が高電圧ＶHの場合にはデューティ比Ｄ3で定格回転数Ｎ0に維持される。

電圧切り換え後はインバータ入力電圧が低くなるので、デューティ比Ｄ3（＝Δｔ3／ΔＴ）はデューティ比Ｄ1よりも大きな値となる。そのため、図６（ｄ）に示すようにモータ電流波形の立ち上がりが緩やかになり、モータ電流に含まれる高調波成分が小さくなる。電圧切換前後の電力がほぼ同一となるように切り換えているので、切り換え後のデューティ比Ｄ3の大きさは低電圧ＶLの値によって決まってくる。そのため、低電圧ＶLは、デューティ比Ｄ3が高調波成分の影響が問題とならないような値となるように設定されている。

図７は、本実施の形態におけるインバータ入力電圧およびデューティ比の制御を説明するフローチャートである。図７に示す制御は、ロータ３０が磁気浮上され、モータ回転指令がモータ制御回路４４に入力されるとスタートする。ステップＳ１１０では、インバータ入力電圧Ｖを高電圧ＶHに設定し、モータ駆動を開始する。

ステップＳ１１０の処理によりモータ駆動を開始したならばステップＳ１２０に進み、モータ回転数を定格回転数Ｎ0まで上昇させる加速制御が開始される。すなわち、回転数センサ２３により検出された回転数に基づいて、モータ回転数が目標回転数である定格回転数Ｎ0となるように、検出された回転数をフィードバックしてＰＷＭ信号のデューティ比Ｄを設定する。

例えば、定格回転数Ｎ0と検出回転数Ｎとの差分（＝Ｎ0−Ｎ）が所定値ΔＮ以上の場合にはデューティ比を増加させ、差分が−ΔＮ以下であった場合にはデューティ比を減少させる。そして、｜差分｜＜ΔＮの場合、すなわち定格回転数範囲内となった場合にはデューティ比を変化させず維持させるようにする。また、ステップＳ１１０の初期値Ｄ0を１とし、デューティ比Ｄ＝１で加速を開始し、回転数Ｎが予め定めた回転数Ｎ1（＜Ｎ0）よりも大きくなったならば、上述のように差分に応じてデューティ比制御を行うようにしても良い。

図８は、モータ駆動開始後のデューティ比Ｄ、インバータ入力電圧および回転数の時間的変化の一例を示したものである。時刻ｔ1にモータの回転駆動を開始すると、デューティ比Ｄは初期値Ｄ0から徐々に増加する。図８に示す例では時刻ｔ2の時点でＤ＝１となる。その後、回転数Ｎが定格回転数Ｎ0に近付くとデューティ比Ｄは減少しはじめ、最終的には無負荷定格回転を維持できる値（ここではＤ1）まで減少する。デューティ比Ｄ1においてはモータ負荷とモータ供給電力とが釣り合って回転数（＝定格回転数Ｎ0）が一定となる。図８に示す例では、デューティ比ＤがＤ1となった後に回転数Ｎが定格回転数Ｎ0に達しているが、デューティ比Ｄの制御の仕方によっては、いったん定格回転数Ｎ0を越えた後に減少してＮ＝Ｎ0となる場合もある。

図７のステップＳ１３０では、回転数センサ２３により検出された回転数Ｎが定格回転数Ｎ0となったか否かを判定し、定格回転数Ｎ0と判定されるとステップＳ１４０へ進んで加速制御を停止する。続くステップＳ１５０では、回転数Ｎが定格回転数Ｎ0に維持されるようなデューティ比制御（速度フィードバック制御）を開始する。すなわち、検出される回転数Ｎが定格回転数Ｎ0よりも低下したならばデューティ比Ｄを増加させ、逆に、回転数Ｎが定格回転数Ｎ0よりも大きくなった場合にはデューティ比Ｄを減少させる。

ステップＳ１６０では、デューティ比Ｄが所定の値Ｄ4以下であるか否かを判定する。ここで、デューティ比Ｄ4はインバータ入力電圧を高電圧ＶHから低電圧ＶLへと切り替える閾値であって、モータ電流の高調波成分が問題となり始めるデューティ比Ｄ1よりもやや大きめに設定される。ステップＳ１６０においてデューティ比ＤがＤ4以下と判定されるとステップＳ１７０へ進み、インバータ入力電圧を高電圧ＶHから低電圧ＶLに切り替える動作を開始する。

なお、インバータ入力電圧が変化すると電流値が変化して回転数が変化するが、上述したように、回転数Ｎが定格回転数Ｎ0に維持されるような速度フィードバック制御が行われているので、回転数を元に戻すようにデューティ比Ｄが変更される。そのため、ステップＳ１７０における高電圧ＶHから低電圧ＶLへの切り替えは、回転数の変化にデューティ比Ｄの変化が追従できる程度に徐々に変化させる。

図８に示す例では、ステップＳ１３０で回転数が定格回転数Ｎ0であると判定された時点では、既にデューティ比ＤはＤ1であってＤ4よりも小さくなっているので、ステップＳ１６０でＤ≦Ｄ4と判定されてインバータ入力電圧が低電圧ＶLに切り替えられる。切り替え前のＰＷＭ電圧波形およびモータ電流波形は図５（ａ），（ｂ）に示す状態であるが、インバータ入力電圧が最終的に低電圧ＶLになると、図６（ｃ），（ｄ）に示すような状態となる。その結果、モータ電流波形の立ち上がりは緩やかになり、モータ電流中の高調波成分の比率が減少する。なお、図８においては、時刻ｔ3においてデューティ比ＤがＤ1からＤ3へ変化するように記載されているが、実際には上述したように徐々に変化する。後述する、時刻ｔ6，ｔ8における切替の場合も同様である。

図７のステップＳ１８０では、デューティ比Ｄが値Ｄ5（Ｄ3＜Ｄ5≦１）以上となったか否かを判定し、Ｄ≧Ｄ5と判定されるとステップＳ１９０へ進む。ステップＳ１９０では、インバータ入力電圧を低電圧ＶLから高電圧ＶHへと切り替える。この場合も、ステップＳ１７０の場合と同様に、インバータ入力電圧を徐々に変化させる。ステップＳ１９０の処理が終了したら、ステップＳ１６０へ戻る。

図８では、時刻ｔ3から時刻ｔ4まではガス負荷＝０であって無負荷定格回転状態なので、定格回転数Ｎ0に保つためにデューティ比ＤはＤ3のまま一定に保持される。そして、時刻ｔ4においてガス流入量の比較的小さい低ガス負荷状態となると、その直後は回転数Ｎが低下するが、ステップＳ１５０の処理によって、回転数Ｎを定格回転数Ｎ0に維持するようにデューティ比Ｄが変更される。すなわち、図８に示すように、時刻ｔ4直後にデューティ比Ｄが増加し、回転数Ｎが定格回転数Ｎ0になるとデューティ比Ｄは一定となる。

さらに、時刻ｔ5においてガス流入量が増えて高ガス負荷状態となると、再び回転数Ｎが定格回転数Ｎ0に維持されるようにデューティ比Ｄを増加させる。その後、時刻ｔ6にデューティ比ＤがＤ≧Ｄ5となると、図７のステップＳ１９０の処理によってインバータ入力電圧が低電圧ＶLから高電圧ＶHに切り替えられる。インバータ入力電圧切り替え後も、回転数Ｎが定格回転数Ｎ0となるようにデューティ比Ｄを増加させ、回転数Ｎが定格回転数Ｎ0となったところでデューティ比は一定とされる。

その後、図８の時刻ｔ7においてガス流入が停止されて無負荷状態となると、回転数Ｎが定格回転数Ｎ0に維持されるようにデューティ比Ｄを減少させる。デューティ比Ｄが減少して時刻ｔ8にＤ≦Ｄ4となると、図７のステップＳ１７０の処理によりインバータ入力電圧が高電圧ＶHから低電圧ＶLに切り換えられる。切り替え後のデューティ比Ｄは上述したＤ3よりも大きくなるが、その後も回転数Ｎが定格回転数Ｎ0となるようにデューティ比Ｄの減少が継続され、無負荷定格回転Ｎ0におけるデューティ比Ｄ3となったところで、デューティ比Ｄは一定となる。

図９（ａ）は、図７，８で説明した電圧切り替えの場合の、モータ負荷とデューティ比Ｄとの関係を示す図である。横軸はモータ負荷であり、無負荷と記した位置はガス負荷がゼロとなる所である。ラインＬ１はインバータ入力電圧が高電圧ＶHの場合を示し、ラインＬ２はインバータ入力電圧が低電圧ＶLの場合を示す。無負荷状態（無負荷定格回転状態）では、ラインＬ１の場合にはデューティ比Ｄ1となり、ラインＬ２の場合にはデューティ比Ｄ3となる。

インバータ入力電圧を高電圧ＶHから低電圧ＶLへと切り換える場合には、デューティ比ＤがＤ4以下となった時点で切り替わり、インバータ入力電圧を低電圧ＶLから高電圧ＶHへと切り換える場合には、デューティ比ＤがＤ5以上となった時点で切り替わる。すなわち、モータ負荷が減少する場合と上昇する場合とでは切換時のモータ負荷が異なっている。そのため、切り替わり点の近辺でモータ負荷が変動するようなことがあっても、高電圧ＶHと低電圧ＶLとの間で頻繁に切り替わるという不都合を避けることができる。

図９（ａ）に示す例では、上述したようにモータ電流の高調波成分が問題となるデューティ比Ｄ1よりもやや大きなデューティ比Ｄ4において、インバータ入力電圧を高電圧ＶHから低電圧ＶLへと切り換えてデューティ比Ｄを大きくするようにした。一方、図９（ｂ）に示す例では、モータ負荷を高負荷と低負荷とに区分し、モータ負荷がその境界を越えたときにインバータ入力電圧を切り換えるようにした。その境界におけるデューティ比Ｄは、ラインＬ１の場合にはＤ6となり、ラインＬ２の場合にはＤ7となる。Ｄ6はＤ3よりも大きいので、高負荷、低負荷にかかわらず、デューティ比ＤはＤ3以上となり、モータ電流の高調波成分の発生をより低減することができる。図９（ｂ）の場合も、図９（ａ）に示すように切り換えの方向によってモータ負荷が異なる、いわゆるヒステリシスを設けるようにしても良い。

上述した例では、インバータ入力電圧を高電圧ＶHと低電圧ＶLとの間で切り換える場合について説明したが、３種類の以上の設定電圧を設けて３段階以上で切り換える場合にも同様に適用することができる。図１０に、インバータ入力電圧をＶ１，Ｖ２，Ｖ３の三種類に区分して、３段階で切り換える場合の一例を示した。ラインＬ１１は高電圧Ｖ１の場合を、ラインＬ１２は中電圧Ｖ２の場合を、ラインＬ１３は低電圧Ｖ３の場合をそれぞれ示す。

ここでは、低負荷、中負荷および高負荷の区分は、電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３におけるデューティ比Ｄが等しい値Ｄ8となるように設定した。高電圧Ｖ１から中電圧Ｖ２へ切り換えるとデューティ比ＤはＤ8からＤ9へと大きくなり、中電圧Ｖ２から低電圧Ｖ３へ切り換えるとデューティ比ＤはＤ8からＤ10へと大きくなる。この例の場合には、デューティ比Ｄは、モータ電流の高調波成分が問題となるデューティ比Ｄ1よりも十分に大きなＤ8以上に設定されることになる。

上述したように、排気機能部としての回転翼３２およびネジロータ３１が形成されたロータ３０をモータ３６で回転駆動して排気を行う真空ポンプ（ターボ分子ポンプ）に用いられる真空ポンプ用モータ駆動装置において、モータ３６を駆動するインバータ４３と、インバータ４３のインバータ入力電圧として異なる複数の設定電圧を有するＤＣ／ＤＣコンバータ４１と、モータ負荷情報に応じてＤＣ／ＤＣコンバータ４１の設定電圧を切り換える電圧切換手段としてのモータ制御回路４４とを備え、モータ制御回路４４は、モータ３６の回転数が所定の目標回転数に維持されるようにＰＷＭ信号のデューティ比を設定し、インバータ４３をＰＷＭ制御するようにした。モータ負荷情報としては、インバータ入力電圧とデューティ比Ｄとの組み合わせ、または、インバータ入力電圧と電流センサ４２とにより検出されるモータ電量との組み合わせがある。これらの情報から、モータ負荷を推定することができる。また、ターボ分子ポンプが装着された真空装置側のコントローラからガス負荷情報がターボ分子ポンプのコントローラに入力されるような構成であった場合、入力されたガス負荷情報をモータ負荷情報として用いるようにしても良い。

その結果、モータ負荷に合わせてインバータ入力電圧を低くすることができる。そのため、モータ電流の高調波成分が低減し、渦電流損を低減することができ、省電力化やロータ発熱の低減が可能となる。また、モータの電磁力起因の振動発生およびノイズ発生を低減することができる。なお、設定電圧を切り換えた際に、切換前後でモータ電力がほぼ等しくなるようにデューティ比を設定するようにしたので、切換後の回転数の変化をほぼ防止することができる。

なお、設定電圧（すなわちインバータ入力電圧）を切り換えた際に、切換前後でモータ電力がほぼ等しくなるようにデューティ比を設定することにより、切り換え後に回転数が変化するのを防止することができる。

また、図１０の高負荷、中負荷および低負荷で示す領域のように、複数の設定電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３はそれぞれ異なるモータ負荷領域に対応付けられて設けられ、かつ、高負荷側のモータ負荷領域ほどより大きな設定電圧が対応付けられている。そして、高負荷の領域と低負荷側に隣接する中負荷の領域との境界負荷値に関して、モータ負荷が境界負荷値よりも大きい場合には高負荷の領域に対応付けられたインバータ入力電圧Ｖ１に切り換え、モータ負荷が境界負荷値よりも小さい場合には中負荷の領域に対応付けられたインバータ入力電圧Ｖ２に切り換えるようにした。

その結果、負荷が低下してデューティ比Ｄが低下して閾値であるＤ8を下回るような負荷状況においても、インバータ入力電圧をＶ１からＶ２に切り換えることによりデューティ比ＤをＤ8よりも大きく維持することができ、モータ電流の高調波成分の増加という問題を防止することができる。

また、図９に示すように、モータ負荷情報としてのデューティ比Ｄが所定値Ｄ4以下と判定された場合に、設定電圧を電圧値ＶHからより低い電圧値ＶLに切り換えるようにしても良い。

なお、上述した図７の説明では、デューティ比Ｄが閾値Ｄ4以下となったときにインバータ入力電圧を切り換えるようにしたが、指令値であるデューティ比Ｄに代えて、ＰＷＭ制御の結果としてのモータ電流値を用いて制御する用にしても良い。すなわち、検出されるモータ電流値が電流閾値以下となった場合には、インバータ入力電圧をＶHからＶLへ切り換える。

上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。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。

例えば、磁気浮上式のターボ分子ポンプを例に説明したが、もちろん磁気浮上式でないターボ分子ポンプにも適用可能である。また、上述のターボ分子ポンプでは回転数センサ２３によりモータ回転数を検出するようにしているが、本発明はセンサレスのターボ分子ポンプにも適用できる。さらには、ロータを高速回転するモータをＰＷＭ制御する真空ポンプであれば、ターボ分子ポンプ以外の真空ポンプにも適用することができる。

１：ポンプユニット、２３：回転数センサ、３０：ロータ、３１：ネジロータ、３２：回転翼、３３：固定翼、３６：モータ、３９：ネジステータ、４１：ＤＣ／ＤＣコンバータ、４２：電圧センサ、４３：インバータ、４４：モータ制御回路、Tr1〜Tr6：スイッチング素子

Claims (3)

1. 排気機能部が形成されたロータをモータで回転駆動して排気を行う真空ポンプに用いられる真空ポンプ用モータ駆動装置であって、
   前記モータを駆動するインバータと、
   前記インバータのインバータ入力電圧として異なる複数の設定電圧を有する直流電圧源と、
   前記モータの回転数が所定の目標回転数に維持されるようにＰＷＭ信号のデューティ比を設定し、前記インバータをＰＷＭ制御するモータ制御回路と、
   前記デューティ比の大きさに応じて前記直流電圧源の設定電圧を切り換える電圧切換手段と、を備え、
   前記電圧切換手段は、
   第１の設定電圧において前記デューティ比が第１の閾値以下の場合には、該第１の設定電圧からより低電圧の第２の設定電圧へ切り換え、
   前記第２の設定電圧において前記デューティ比が第２の閾値以上の場合には、該第２の設定電圧から前記第１の設定電圧へ切り換え、
   前記第１および第２の閾値は、前記第２の閾値におけるモータ負荷が前記第１の閾値におけるモータ負荷よりも大きくなるように設定され、
   前記直流電圧源は前記設定電圧を３以上有し、
   最も低い設定電圧を除く他の設定電圧における前記第１の閾値は、互いに等しい値に設定されていることを特徴とする真空ポンプ用モータ駆動装置。
2. 請求項１に記載の真空ポンプ用モータ駆動装置において、
   前記第１の閾値は、モータ電流中の高調波成分が所定比率以下となるように設定されていることを特徴とする真空ポンプ用モータ駆動装置。
3. 排気機能部が形成されたロータをモータで回転駆動して排気を行う真空ポンプと、
   請求項１または２に記載の真空ポンプ用モータ駆動装置と、を備えるポンプシステム。
   

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