JP6801481B2 - Magnetic bearing equipment and vacuum pump - Google Patents
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Description
本発明は、磁気軸受装置および真空ポンプに関する。 The present invention relates to a magnetic bearing device and a vacuum pump.
磁気軸受型ターボ分子ポンプのように回転体(ロータ)を磁気軸受装置で非接触支持する装置においては、ロータを所定の目標位置に浮上維持すべく、ロータの浮上位置と目標位置との偏差(変位)に基づいて電磁石の磁気吸引力(電磁石電流)をリアルタイムでフィードバック制御している。特許文献1に記載の発明では、電磁石の近傍に配置された変位センサを用いてロータの変位を検出し、検出された変位に基づいて電磁石電流の制御を行っている。
In a device such as a magnetic bearing type turbo molecular pump in which a rotating body (rotor) is non-contactly supported by a magnetic bearing device, the displacement between the floating position and the target position of the rotor (in order to keep the rotor floating at a predetermined target position) The magnetic attraction force (electromagnet current) of the electromagnet is feedback-controlled in real time based on the displacement). In the invention described in
ところで、配置スペースの関係で、一般的に、ラジアル磁気軸受の場合、変位センサは、電磁石位置に対してロータの軸方向にずれた位置に配置されている。そのため、浮上目標位置とされる中心軸に対してロータが平行に変位した場合であれば、変位センサで検出された変位と電磁石位置における変位とが一致するが、ロータが中心軸に対して傾いている場合には、変位センサで検出された変位と電磁石位置における変位とが一致しない。 By the way, in the case of a radial magnetic bearing, the displacement sensor is generally arranged at a position deviated from the position of the electromagnet in the axial direction of the rotor due to the arrangement space. Therefore, if the rotor is displaced parallel to the central axis, which is the levitation target position, the displacement detected by the displacement sensor matches the displacement at the electromagnet position, but the rotor is tilted with respect to the central axis. If so, the displacement detected by the displacement sensor and the displacement at the electromagnet position do not match.
本来、ロータに加えられる電磁石力は電磁石位置における変位に基づいて行われるのが好ましい。しかし、上述のように変位検出位置が電磁石位置と一致していない場合には、所定位置へ復帰するために必要な時間は多少長くなったり、外乱が小さい環境下においてノイズに起因するポンプ振動が顕著になったりするという欠点があった。 Originally, the electromagnet force applied to the rotor is preferably performed based on the displacement at the electromagnet position. However, if the displacement detection position does not match the electromagnet position as described above, the time required to return to the predetermined position will be slightly longer, or pump vibration due to noise will occur in an environment with small disturbance. There was a drawback that it became noticeable.
本発明の好ましい実施形態による磁気軸受装置は、ロータ軸をラジアル方向に磁気浮上支持するラジアル磁気軸受電磁石と、前記ロータ軸のラジアル方向の変位を検出する変位センサと、前記変位センサにより検出されたセンサ位置変位を、前記ラジアル磁気軸受電磁石の位置における磁石位置変位に変換する変位変換部と、前記磁石位置変位に基づいて前記ラジアル磁気軸受電磁石の励磁電流を制御して、前記ロータ軸の浮上位置を所定位置に制御する電流制御部と、を備え、前記センサ位置変位の値が予め定められた閾値以下の範囲に含まれる場合には、前記磁石位置変位に基づいて前記ラジアル磁気軸受電磁石の励磁電流を制御し、前記センサ位置変位の値が前記範囲に含まれない場合には、前記センサ位置変位に基づいて前記ラジアル磁気軸受電磁石の励磁電流を制御する。
さらに好ましい実施形態では、前記センサ位置変位の値が前記範囲に含まれる場合における前記電流制御部のゲインを、前記センサ位置変位の値が前記範囲に含まれない場合における前記電流制御部のゲインよりも小さく設定する。
本発明の好ましい実施形態による真空ポンプは、ポンプロータと、前記ポンプロータを回転駆動するモータと、前記ポンプロータのロータ軸を磁気浮上支持する上記磁気軸受装置と、を備える。
The magnetic bearing apparatus according to the preferred embodiment of the present invention is detected by a radial magnetic bearing electromagnet that magnetically levitates and supports the rotor shaft in the radial direction, a displacement sensor that detects the displacement of the rotor shaft in the radial direction, and the displacement sensor. A displacement conversion unit that converts the sensor position displacement into a magnet position displacement at the position of the radial magnetic bearing electromagnet, and a displacement conversion unit that controls the exciting current of the radial magnetic bearing electromagnet based on the magnet position displacement to raise the rotor shaft. Is provided with a current control unit that controls the position of the sensor, and when the value of the sensor position displacement is within a range equal to or less than a predetermined threshold value, the radial magnetic bearing electromagnet is excited based on the magnet position displacement. The current is controlled, and when the value of the sensor position displacement is not included in the range, the exciting current of the radial magnetic bearing electromagnet is controlled based on the sensor position displacement .
In a further preferred embodiment, the gain of the current controller when the value of the sensor position displacement is included in the range, than the gain of the current controller when the value of the sensor position displacement is not included in the scope Also set small.
A vacuum pump according to a preferred embodiment of the present invention includes a pump rotor, a motor that rotationally drives the pump rotor, and the magnetic bearing device that magnetically levitates and supports the rotor shaft of the pump rotor.
本発明によれば、磁気軸受装置の低振動化を図ることができる。 According to the present invention, it is possible to reduce the vibration of the magnetic bearing device.
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。
−第1の実施の形態−
図1は、磁気軸受装置を備えた磁気軸受式ターボ分子ポンプの概略構成を示す図である。ターボ分子ポンプは、ポンプ本体1と、ポンプ本体1を駆動制御するコントロールユニットとにより構成されている。なお、図1では、コントロールユニットの図示を省略した。
Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
− First Embodiment −
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a magnetic bearing type turbo molecular pump provided with a magnetic bearing device. The turbo molecular pump is composed of a pump
ポンプロータ3に設けられたロータ軸5は、ラジアル磁気軸受4A,4Bおよびアキシャル磁気軸受4Cによって非接触支持される。ラジアル磁気軸受4A,4Bの各々は、ロータ軸5の径方向に配置された4つの磁気軸受電磁石を備えている。アキシャル磁気軸受4Cの磁気軸受電磁石は、ロータ軸5の下部に固定されたスラストディスク10を軸方向に挟むように配置されている。
The
ロータ軸5の変位は、ラジアル方向の変位センサ50x1,50y1,50x2,50y2,とアキシャル方向の変位センサ51によって検出される。変位センサ50x1,50y1,50x2,50y2,51には、センサコアにコイルを巻き回した構成のインダクタンス式変位センサが用いられている。
The displacement of the
磁気軸受によって回転自在に磁気浮上されたポンプロータ3は、モータ42により高速回転駆動される。モータ42にはブラシレスDCモータ等が用いられる。なお、図1では、模式的にモータ42と記載しているが、より詳細には、符号42で示した部分はモータステータを構成し、ロータ軸5側にモータロータが設けられている。
The
モータ42によって回転駆動されるロータ軸5の下端には、センサターゲット29が設けられている。上述したアキシャル方向の変位センサ51は、センサターゲット29の下面と対向する位置に配置されている。磁気軸受が動作していないときには、ロータ軸5は非常用のメカニカルベアリング26a,26bによって支持される。
A
ポンプロータ3には、回転側排気機能部を構成する複数段の回転翼3aと円筒部3bとが形成されている。一方、固定側には、固定側排気機能部である固定翼22とネジステータ24とが設けられている。複数段の固定翼22は、軸方向に対して回転翼3aと交互に配置されている。ネジステータ24は、円筒部3bの外周側に所定のギャップを隔てて設けられている。
The
各固定翼22は、スペーサリング23を介してベース20上に載置される。ポンプケーシング21の固定フランジ21cをボルトによりベース20に固定すると、積層されたスペーサリング23がベース20とポンプケーシング21との間に挟持され、固定翼22が位置決めされる。ベース20には排気ポート25が設けられ、この排気ポート25にバックポンプが接続される。ポンプロータ3を磁気浮上させつつモータ42により高速回転駆動することにより、吸気口21a側の気体分子は排気ポート25側へと排気される。
Each
図2は、コントロールユニットの概略構成を示すブロック図である。外部からのAC入力は、コントロールユニットに設けられたDC電源40によって交流から直流に変換される。DC電源40は、インバータ41用の電源、励磁アンプ43用の電源、制御部44用の電源をそれぞれ生成する。
FIG. 2 is a block diagram showing a schematic configuration of the control unit. The AC input from the outside is converted from alternating current to direct current by the
モータ42に電力を供給するインバータ41には、複数のスイッチング素子が備えられている。これらのスイッチング素子のオンオフを制御部44によって制御することにより、モータ42が駆動される。
The
上述したように、ロータ軸5を磁気浮上支持する磁気軸受は、ラジアル方向に4軸、アキシャル方向に1軸の5軸制御型磁気軸受である。各軸毎に一対の磁気軸受電磁石が設けられているので、図2に示すように10個の磁気軸受電磁石45が設けられている。磁気軸受電磁石45に電力を供給する励磁アンプ43は、10個の磁気軸受電磁石45のそれぞれに設けられている。
As described above, the magnetic bearing that magnetically levitates and supports the
モータ42の駆動および磁気軸受の駆動を制御する制御部44は、例えば、FPGA(Field Programmable Gate Array)等のデジタル演算器とその周辺回路により構成される。モータ制御に関しては、インバータ41に設けられている複数のスイッチング素子をオンオフ制御するためのPWM制御信号411が、制御部44からインバータ41へ入力される。また、インバータ41から制御部44へは、モータ42に関する相電圧および相電流に関する信号412が入力される。
The
磁気軸受制御に関しては、励磁アンプ43に含まれるスイッチング素子をオンオフ制御するためのPWMゲート駆動信号431が、制御部44から各励磁アンプ43へ入力される。また、各励磁アンプ43から制御部44へは、各磁気軸受電磁石45の電流値に関する電流検出信号432が入力される。
Regarding the magnetic bearing control, a PWM
各変位センサ50x1,50y1,50x2,50y2,51には、センサ回路33がそれぞれ設けられている。制御部44から各センサ回路33には、センサキャリア信号(搬送波信号)305が入力される。各センサ回路33から制御部44には、ロータ軸の変位により変調されたセンサ信号306が入力される。
A
図3は、制御軸1軸分の磁気軸受電磁石45に関係する構成を示す模式図である。図3においては、図1のラジアル磁気軸受4Aのx方向の一軸に関する構成を示した。ロータ軸5を挟むように、ラジアル方向の磁気浮上支持を行う一対の磁気軸受電磁石45m,45pが対向配置されている。Jはロータ軸5を磁気浮上させる際の浮上目標位置である。各磁気軸受電磁石45m,45pには、励磁アンプ43m,43pが設けられている。磁気軸受電磁石45mを流れる励磁電流は電流センサ46mにより検出され、磁気軸受電磁石45pを流れる励磁電流は電流センサ46pにより検出される。また、磁気軸受電磁石45m,45pに対応付けてラジアル方向の変位センサ50x1m,50x1pが設けられている。
FIG. 3 is a schematic view showing a configuration related to the
図3のようにロータ軸5が変位Δdrだけ磁気軸受電磁石45pに近づいて、磁気軸受電磁石45pとロータ軸5とのギャップが変化すると、そのギャップ変化は一対の変位センサ50x1m、50x1pによって検出される。磁気軸受電磁石45pの励磁電流を減少させるとともに、反対側の磁気軸受電磁石45mの励磁電流を増加させると、磁気軸受電磁石45mの方向に引き寄せられる。その結果、は、浮上目標位置Jに対するロータ軸5の浮上位置のズレが小さくなるように制御される。
As shown in FIG. 3, when the
磁気軸受電磁石45m、45pを流れる励磁電流には、所定の軸受剛性を確保するためのバイアス電流(DC電流成分)と、ロータ軸5の浮上位置を制御するための制御電流とが含まれている。すなわち、ロータ軸5の浮上位置に応じて変化するのは制御電流である。制御電流=0のときのロータ軸5の浮上位置が浮上目標位置Jであったとした場合、図3に示すようにロータ軸5を磁気軸受電磁石45pの側に変位させる場合には、磁気軸受電磁石45pの制御電流を+Δiとし、反対側の磁気軸受電磁石45mの制御電流を−Δiとする。ここで、+Δiおよび−Δiは励磁電流の電流変動分に相当する
The exciting current flowing through the
このときの磁気軸受電磁石45p方向への浮上位置ズレを変位Δdrとすると、磁気軸受電磁石45pとロータ軸5とのギャップはD−Δdrとなり、磁気軸受電磁石45mとロータ軸5とのギャップはD+Δdrとなる。この場合、磁気軸受電磁石45pによる図示右方向の力Fp、および磁気軸受電磁石45mによる図示左方向の力Fmは次式(1),(2)のように表される。式(1),(2)において、Dはロータ軸5が浮上目標位置Jに磁気浮上されているときのギャップ寸法であり、Iは励磁電流に含まれるバイアス電流(DC電流成分)である。
Fp=k((I+Δi)/(D−Δdr))2 …(1)
Fm=k((I−Δi)/(D+Δdr))2 …(2)
Assuming that the floating position deviation in the
Fp = k ((I + Δi) / (D−Δdr)) 2 … (1)
Fm = k ((I−Δi) / (D + Δdr)) 2 … (2)
力Fp、Fmの変化分ΔFp、ΔFmを式(1)、(2)の線形近似により求めると、近似的に式(3)、(4)のようになる。よって、ロータ軸5に作用する電磁石力ΔF(=Fp−Fm)は、次式(5)のように表される。
ΔFp=(2kI/D2)Δi+(2kI2/D3)Δdr …(3)
ΔFm=(−2kI/D2)Δi+(−2kI2/D3)Δdr …(4)
ΔF=ΔFp−ΔFm
=(4kI/D2)Δi+(4kI2/D3)Δdr …(5)
When the changes ΔFp and ΔFm of the forces Fp and Fm are obtained by the linear approximation of the equations (1) and (2), the equations (3) and (4) are approximately obtained. Therefore, the electromagnet force ΔF (= Fp−Fm) acting on the
ΔFp = (2kI / D 2 ) Δi + (2kI 2 / D 3 ) Δdr… (3)
ΔFm = (-2kI / D 2 ) Δi + (-2kI 2 / D 3 ) Δdr… (4)
ΔF = ΔFp−ΔFm
= (4kI / D 2 ) Δi + (4kI 2 / D 3 ) Δdr… (5)
式(5)に示すように、電磁石力ΔFは、浮上制御における制御電流Δi(励磁電流の電流変動分)に依存する力(4kI/D2)Δiと、変位Δdrに依存する力(4kI2/D3)Δdrとで表される。これらの力の大きさは、式(6)のように励磁電流の電流変動に起因する力のほうが大きい。
(4kI/D2)|Δi|>(4kI2/D3)|Δdr| …(6)
As shown in Equation (5), electromagnet force ΔF is force dependent on the control current .DELTA.i (current variation of the exciting current) in the levitation control and (4kI / D 2) Δi, force dependent on displacement Δdr (4kI 2 / D 3 ) It is represented by Δdr. As for the magnitude of these forces, the force caused by the current fluctuation of the exciting current is larger as shown in the equation (6).
(4kI / D 2 ) | Δi |> (4kI 2 / D 3 ) | Δdr |… (6)
例えば、真空ポンプに外乱が作用すると、外乱により真空ポンプ本体が振動することで上記変位Δdrが発生する。制御部44は、変位Δdrを解消するように制御電流Δi、−Δiを磁気軸受電磁石45m、45pに流し、ロータ軸5を浮上目標位置Jへと戻すように制御する。このとき、式(6)の関係より、力ΔFがロータ軸5に作用し、その反作用がポンプ本体側に作用することになる。そのため、ロータ軸5が何らかの原因で振動すると、そのロータ変位が新たに起因してポンプ本体も振動することになる。
For example, when a disturbance acts on the vacuum pump, the displacement Δdr is generated by vibrating the vacuum pump body due to the disturbance. The
図3に示すようなラジアル磁気軸受においては、電磁石位置におけるロータ軸5のラジアル変位に基づいて磁気軸受電磁石45m、45pの励磁電流を制御するのが好ましい。しかしながら、磁気軸受装置において、変位センサ50x1,50y1および50x2,50y2を磁気軸受電磁石と同一位置に配置するのは物理的に難しく、図3に示すように、変位センサ50x1,50y1を磁気軸受電磁石45m、45pに対して軸方向にずれた位置に配置するのが一般的である。
In the radial magnetic bearing as shown in FIG. 3, it is preferable to control the exciting currents of the
そのため、ロータ軸5が浮上目標位置Jに対して平行に変位した場合には、電磁石位置における変位と変位センサ50x1p,50x1pにより検出される変位とが一致するが、浮上目標位置Jに対して傾いている場合には、電磁石位置における変位と変位センサ50x1p,50x1pにより検出される変位とが一致しない。変位が一致しない場合には最適な軸受制御ができないので、ロータ軸5の位置を浮上目標位置Jへ復帰させるための時間が長くなり、その分だけ復帰に要する仕事量も多くなる。
Therefore, when the
さらに、実際の変位(電磁石位置における変位)と変位センサ50x1p,50x1pにより検出された変位とが一致していない場合には、一致している場合に比べて軸受制御時の励磁電流の変動量が大きくなり、電磁石力ΔFの反作用によるポンプ本体の振動がより大きくなる。 Furthermore, when the actual displacement (displacement at the electromagnet position) and the displacement detected by the displacement sensors 50x1p and 50x1p do not match, the amount of fluctuation of the exciting current during bearing control is larger than when they match. It becomes larger, and the vibration of the pump body due to the reaction of the electromagnet force ΔF becomes larger.
上述した電磁石力ΔFの説明では、外部環境からの一過性の外乱が作用した場合の過渡応答を例に説明したが、磁気軸受システムに起因するノイズが、変位センサの変位信号センシング時や励磁アンプ制御に必要な電流信号センシング時に混入した場合にも同様の問題が生じる。通常、微弱なポンプ振動が問題となるような用途、例えば電子顕微鏡に使用する場合には、外乱の影響よりも磁気軸受システムに起因する振動発生が問題となる。 In the above description of the electromagnet force ΔF, the transient response when a transient disturbance from the external environment acts is described as an example, but the noise caused by the magnetic bearing system is generated when the displacement signal of the displacement sensor is sensed or excited. A similar problem occurs when the current signal is mixed during the current signal sensing required for amplifier control. Usually, in applications where weak pump vibration is a problem, for example, when used in an electron microscope, vibration generation due to the magnetic bearing system is more problematic than the influence of disturbance.
磁気軸受式ターボ分子ポンプの磁気軸受システムでは、低周波帯域での動的な剛性が低く(コンプライアンスが高く)、重畳されたノイズ(ランダムノイズ)により、磁気軸受式ターボ分子ポンプにおける歳差モード固有振動数などを含む低周波数域(数十Hz以下)において変位変動および電流変動が大きくなる(図4参照)。なお、図4は従来の磁気軸受システムにおいて、ランダムノイズが重畳した場合の、電流振幅および変位振幅の周波数分布を示す図である。 In the magnetic bearing system of a magnetic bearing turbo molecular pump, the dynamic rigidity in the low frequency band is low (high compliance), and the superimposed noise (random noise) is unique to the age difference mode in the magnetic bearing turbo molecular pump. Displacement fluctuations and current fluctuations become large in the low frequency range (several tens of Hz or less) including frequencies (see FIG. 4). Note that FIG. 4 is a diagram showing the frequency distribution of the current amplitude and the displacement amplitude when random noise is superimposed in the conventional magnetic bearing system.
そのため、従来、変位センサで検出された変位(以下ではセンサ位置変位と呼ぶ)に基づいて磁気軸受電磁石の励磁電流を制御していたものを、本実施の形態では、電磁石位置における変位(以下では磁石位置変位と呼ぶ)に基づいて励磁電流の制御を行うようにした。 Therefore, conventionally, the exciting current of the magnetic bearing electromagnet is controlled based on the displacement detected by the displacement sensor (hereinafter referred to as sensor position displacement), but in the present embodiment, the displacement at the electromagnet position (hereinafter referred to as sensor position displacement). The exciting current is controlled based on the displacement of the magnet position).
図5は、図1に示したラジアル磁気軸受4A,4Bに関する磁気軸受制御系の概略構成を示すブロック図である。図5において、磁気軸受電磁石45はラジアル4軸分の8個の磁気軸受電磁石を表しており、同様に、変位センサ50、センサ回路33、励磁アンプ43についても8個の磁気軸受電磁石に対応して各々設けられた8個の変位センサ、センサ回路、励磁アンプを表している。励磁アンプ43から磁気軸受電磁石45に供給される励磁電流は電流センサ46によって検出される。
FIG. 5 is a block diagram showing a schematic configuration of a magnetic bearing control system for the radial
センサ回路33から出力された変位センサ信号は制御部44の復調部441に入力され、そこで復調処理が行われる。復調部441からは、変位センサ信号に基づく変位、すなわち、図1の軸方向上側の変位センサ位置における変位であるセンサ位置変位Dxs1,Dys1および軸方向下側の変位センサ位置におけるセンサ位置変位Dxs2,Dys2が出力される。変位変換部442は、入力されたセンサ位置変位Dxs1,Dys1,Dxs2,Dys2に基づいて、上側の電磁石位置におけるロータ軸5の変位である磁石位置変位Dxm1,Dym1および下側の電磁石位置における磁石位置変位Dxm2,Dym2を算出する。
The displacement sensor signal output from the
電流制御部443は、磁石位置変位Dxm1,Dym1,Dxm2,Dym2に基づいて比例制御、積分制御および微分制御等を行い、励磁アンプ43のスイッチング制御に関する電流設定信号を生成する。例えば、図3に示すラジアル磁気軸受4Aの一軸分(x軸方向)に関しては、磁気軸受電磁石45m、45pに対する電流設定信号をそれぞれ生成する。そして、電流設定信号から電流センサからの電流検出信号を減算した電流偏差信号に基づいて、励磁アンプ43をPWM制御するための電圧相当信号を生成する。
The
PWM演算部444は、電流制御部443からの電圧相当信号に基づいてPWM制御指令を生成する。アンプ駆動部47は、PWM演算部444で生成されたPWM制御信号に基づいて、励磁アンプ43にPWMゲート駆動信号を出力する。励磁アンプ43に設けられたスイッチング素子はPWMゲート駆動信号によりオンオフされ、そのスイッチングパターンに応じた電圧が磁気軸受電磁石45のコイルに印加され、それにより磁気軸受電磁石45の励磁電流が制御される。
The
図6は、変位変換部442における変換処理を説明する図である。図6はx軸方向の変位に関して示したものであり、図3の浮上目標位置Jをz軸に一致させて図示した。ここでは、上側の変位センサ位置をzs1とし、下側の変位センサ位置をzs2とする。また、上側の電磁石位置をzm1とし、下側の電磁石位置をzm2とする。ロータ軸5は剛体とみなし、ロータ軸5の中心軸Aの各位置zs1,zs2,zm1,zm2におけるx座標をxs1,xs2,xm1,xm2とする。
FIG. 6 is a diagram illustrating a conversion process in the
また、ロータ軸5が浮上目標位置Jに浮上している場合のポンプロータ3(図1参照)の重心位置をCGとする。重心位置CGから変位センサ位置zs1,zs2までの距離をL1,L2とし、重心位置CGから電磁石位置zm1,zm2までの距離をl1,l2とする。
Further, the position of the center of gravity of the pump rotor 3 (see FIG. 1) when the
図6では、浮上目標位置Jをz軸と一致させているので、変位センサ位置zs1,zs2におけるx座標xs1,xs2は、変位センサにより検出されるセンサ位置変位Dxs1,Dxs2を表している。同様に、電磁石位置zm1,zm2におけるx座標xm1,xm2は、電磁石位置zm1,zm2における磁石位置変位Dxm1,Dxm2を表している。 In FIG. 6, since the ascent target position J is aligned with the z-axis, the x-coordinates xs1 and xs2 at the displacement sensor positions zs1 and zs2 represent the sensor position displacements Dxs1 and Dxs2 detected by the displacement sensor. Similarly, the x-coordinates xm1 and xm2 at the electromagnet positions zm1 and zm2 represent the magnet position displacements Dxm1 and Dxm2 at the electromagnet positions zm1 and zm2.
このとき、磁石位置変位Dxm1,Dxm2は、センサ位置変位Dxs1,Dxs2を用いて次式(7)、(8)のように表される。なお、式(7)、(8)では、変位Dxs1,Dxs2,Dxm1,Dxm2を時間tの関数として記載した。同様に、y軸方向の磁石位置変位Dym1(t),Dym2(t)は、変位センサ位置におけるy軸方向のセンサ位置変位Dys1(t),Dys2(t)を用いて次式(9)(10)のように表される。
Dxm1(t)=(l1−L1)/(L1+L2)×{Dxs1(t)−Dxs2(t)}+Dxs1(t)…(7)
Dxm2(t)=(−l2−L1)/(L1+L2)×{Dxs1(t)−Dxs2(t)}+Dxs1(t)…(8)
Dym1(t)=(l1−L1)/(L1+L2)×{Dys1(t)−Dys2(t)}+Dys1(t)…(9)
Dym2(t)=(−l2−L1)/(L1+L2)×{Dys1(t)−Dys2(t)}+Dys1(t)…(10)
At this time, the magnet position displacements Dxm1 and Dxm2 are expressed by the following equations (7) and (8) using the sensor position displacements Dxs1 and Dxs2. In equations (7) and (8), the displacements Dxs1, Dxs2, Dxm1, and Dxm2 are described as functions of time t. Similarly, the magnet position displacements Dym1 (t) and Dym2 (t) in the y-axis direction are calculated by the following equations (9) (9) using the sensor position displacements Dys1 (t) and Dys2 (t) in the y-axis direction at the displacement sensor position. It is expressed as 10).
Dxm1 (t) = (l1-L1) / (L1 + L2) x {Dxs1 (t) -Dxs2 (t)} + Dxs1 (t) ... (7)
Dxm2 (t) = (-l2-L1) / (L1 + L2) x {Dxs1 (t) -Dxs2 (t)} + Dxs1 (t) ... (8)
Dim1 (t) = (l1-L1) / (L1 + L2) x {Dys1 (t) -Dys2 (t)} + Dys1 (t) ... (9)
Dym2 (t) = (-l2-L1) / (L1 + L2) x {Dys1 (t) -Dys2 (t)} + Dys1 (t) ... (10)
図7は、本実施の形態においてランダムノイズが重畳した場合の電流振幅および変位振幅の周波数分布を示す図である。ラインB1は図4(b)に示した従来の磁気軸受しステもの場合の周波数分布を示し、ラインB2は本実施の形態の場合の周波数分布を示す。本実施の形態では、軸受制御に用いる変位として、磁気軸受電磁石45の位置における磁石位置変位Dxm1(t),Dym1(t),Dxm2(t),Dym2(t)を用いているので、低周波数域でのノイズの影響による振動を低減することができる。
FIG. 7 is a diagram showing a frequency distribution of current amplitude and displacement amplitude when random noise is superimposed in the present embodiment. Line B1 shows the frequency distribution in the case of the conventional magnetic bearing and stay shown in FIG. 4B, and line B2 shows the frequency distribution in the case of the present embodiment. In the present embodiment, the displacements used for bearing control are the magnet position displacements Dxm1 (t), Dim1 (t), Dxm2 (t), and Dim2 (t) at the position of the
(C1)以上説明したように、第1の実施の形態では、図5に示すように、ロータ軸5をラジアル方向に磁気浮上支持する磁気軸受電磁石45と、ロータ軸5のラジアル方向の変位を検出する変位センサ50と、変位センサ50により検出されたセンサ位置変位Dxs1(t),Dys1(t),Dxs2(t),Dys2(t)を、磁気軸受電磁石45の位置における磁石位置変位Dxm1(t),Dym1(t),Dxm2(t),Dym2(t)に変換する変位変換部442と、磁石位置変位Dxm1(t),Dym1(t),Dxm2(t),Dym2(t)に基づいて磁気軸受電磁石45の励磁電流を制御して、ロータ軸5の浮上位置を所定位置に制御する電流制御部443と、を備える。
(C1) As described above, in the first embodiment, as shown in FIG. 5, the
このように磁石位置変位Dxm1(t),Dym1(t),Dxm2(t),Dym2(t)を用いることで、ノイズ重畳の影響によるポンプ振動の発生を抑えることができる。例えば、振動を嫌う電子顕微鏡のような装置においては、真空ポンプからの振動を低減するための除振装置を装置と真空ポンプとの間に設ける場合が多いが、本実施の形態では外乱の無い環境下において低振動化を図ることができるので、除振装置を省略することが可能となる。また、磁石位置の変位を用いることにより、ロータ軸5の位置を浮上目標位置Jへ復帰させるための時間や仕事量を低減することができる。
By using the magnet position displacements Dxm1 (t), Dim1 (t), Dxm2 (t), and Dim2 (t) in this way, it is possible to suppress the occurrence of pump vibration due to the influence of noise superposition. For example, in a device such as an electron microscope that dislikes vibration, a vibration isolator for reducing vibration from the vacuum pump is often provided between the device and the vacuum pump, but in the present embodiment, there is no disturbance. Since the vibration can be reduced in the environment, it is possible to omit the vibration isolator. Further, by using the displacement of the magnet position, it is possible to reduce the time and the amount of work for returning the position of the
−第2の実施の形態−
図8は、第2の実施の形態における磁気軸受制御系の概略構成を示すブロック図である。図8に示す構成では、図5に示すブロック図の構成に信号選択部445をさらに設けた。以下では、図5の構成と異なる部分を中心に説明する。
-Second embodiment-
FIG. 8 is a block diagram showing a schematic configuration of the magnetic bearing control system according to the second embodiment. In the configuration shown in FIG. 8, a
復調部441から出力されたセンサ位置変位Dxs1,Dys1(t),Dxs2,Dys2(t)は変位変換部442に入力されると共に、信号選択部445にも入力される。信号選択部445には、復調部441からのセンサ位置変位Dxs1(t),Dys1(t),Dxs2(t),Dys2(t)と、変位変換部442からの磁石位置変位Dxm1(t),Dym1(t),Dxm2(t),Dym2(t)とが入力される。信号選択部445は、センサ位置変位Dxs1,Dys1(t),Dxs2,Dys2(t)の大きさ(すなわち絶対値)がそれぞれ所定の閾値Dth以下の場合には、磁石位置変位Dxm1(t),Dym1(t),Dxm2(t),Dym2(t)を電流制御部443へ出力する。一方、センサ位置変位Dxs1(t),Dys1(t),Dxs2(t),Dys2(t)の内のいずれか一つの大きさが閾値Dthを超過している場合には、信号選択部445はセンサ位置変位Dxs1(t),Dys1(t),Dxs2(t),Dys2(t)を電流制御部443へ出力する。
The sensor position displacements Dxs1, Dys1 (t), Dxs2, and Dys2 (t) output from the
ターボ分子ポンプに加わる外乱が非常に小さな環境下においては、上述したように磁気軸受システムのノイズに起因するポンプ振動が問題となる。一方で、地震等の大きな外乱がターボ分子ポンプに加わった場合には、外乱に起因するポンプ振動が問題となる。信号選択部445における閾値Dthの大きさとしては、例えば、ロータ軸5が非常用のメカニカルベアリング26a,26bにほぼ接触する場合のセンサ位置変位Dxs1(t),Dys1(t),Dxs2(t),Dys2(t)の1/10倍程度とする。
In an environment where the disturbance applied to the turbo molecular pump is very small, the pump vibration caused by the noise of the magnetic bearing system becomes a problem as described above. On the other hand, when a large disturbance such as an earthquake is applied to the turbo molecular pump, the pump vibration caused by the disturbance becomes a problem. The magnitude of the threshold value Dth in the
このように、変位センサで検出される変位の大きさに応じて電流制御に用いられる変位を切り替えるようにしたのは、以下のような理由からである。大きな外乱が加えられてロータ軸5がメカニカルベアリング26a,26bに接触した場合には、ロータ軸5の曲げ変形が誘起される。そのような曲げ変形が大きな状態において、上述のようにロータ軸5を剛体とみなして磁石位置変位Dxm1(t),Dym1(t),Dxm2(t),Dym2(t)を算出すると、算出された変位と実際の変位との間に大きな誤差が生じる。そのため、軸受制御の安定性が損なわれるおそれがある。特に、曲げの固有振動数への制振など、高い周波数域に対する浮上安定性が大きく損なわれる危険性がある。
In this way, the displacement used for the current control is switched according to the magnitude of the displacement detected by the displacement sensor for the following reasons. When a large disturbance is applied and the
そのような場合には、ロバスト性の観点から、実際に検出されたセンサ位置変位Dxs1(t),Dys1(t),Dxs2(t),Dys2(t)を用いる方が信頼性を高められる。そのため、第2の実施の形態では、センサ位置変位Dxs1(t),Dys1(t),Dxs2(t),Dys2(t)のいずれか一つが閾値Dthを超過したならば、磁石位置変位Dxm1(t),Dym1(t),Dxm2(t),Dym2(t)ではなく、実際に検出されたセンサ位置変位Dxs1(t),Dys1(t),Dxs2(t),Dys2(t)に基づいて励磁電流の制御を行うようにした。 In such a case, from the viewpoint of robustness, it is more reliable to use the actually detected sensor position displacements Dxs1 (t), Dys1 (t), Dxs2 (t), and Dys2 (t). Therefore, in the second embodiment, if any one of the sensor position displacement Dxs1 (t), Dys1 (t), Dxs2 (t), and Dys2 (t) exceeds the threshold value Dth, the magnet position displacement Dxm1 ( Based on actually detected sensor displacements Dxs1 (t), Dys1 (t), Dxs2 (t), Dys2 (t), not t), Dym1 (t), Dxm2 (t), Dym2 (t) The exciting current is controlled.
(C2)以上のように、第2の実施の形態では、図8に示すように、センサ位置変位Dxs1(t),Dys1(t),Dxs2(t),Dys2(t)の値が所定範囲(値の大きさが閾値Dth以下の範囲)に含まれる場合には、磁石位置変位Dxm1(t),Dym1(t),Dxm2(t),Dym2(t)に基づいて磁気軸受電磁石45の励磁電流を制御する。そのため、低外乱環境下においてノイズに起因する振動を低減することができる。
(C2) As described above, in the second embodiment, as shown in FIG. 8, the values of the sensor position displacements Dxs1 (t), Dys1 (t), Dxs2 (t), and Dys2 (t) are within a predetermined range. When the magnitude of the value is included in the range of the threshold Dth or less, the
一方、センサ位置変位Dxs1(t),Dys1(t),Dxs2(t),Dys2(t)の値が所定範囲に含まれない場合(値の大きさが閾値Dthを超過する場合)には、センサ位置変位Dxs1(t),Dys1(t),Dxs2(t),Dys2(t)に基づいて磁気軸受電磁石45の励磁電流を制御する。そのため、大外乱が加わって変位の大きさが閾値Dthを超過した場合に、磁気浮上制御の安定性が損なわれるのを防止することができる。
On the other hand, when the values of the sensor position displacements Dxs1 (t), Dys1 (t), Dxs2 (t), and Dys2 (t) are not included in the predetermined range (when the magnitude of the values exceeds the threshold Dth), The exciting current of the
(C3)なお、センサ位置変位Dxs1(t),Dys1(t),Dxs2(t),Dys2(t)の値が所定範囲(値の大きさが閾値Dth以下の範囲)に含まれる場合における電流制御部443のゲインを、センサ位置変位の値が所定範囲に含まれない場合における電流制御部443のゲインよりも小さく設定するようにしても良い。
(C3) The current when the values of the sensor position displacements Dxs1 (t), Dys1 (t), Dxs2 (t), and Dys2 (t) are included in a predetermined range (the magnitude of the values is within the threshold Dth). The gain of the
図8において説明したように、電流制御部443は入力される変位(センサ位置変位または磁石位置変位)に基づいて励磁アンプ43のスイッチング制御に関する電流設定信号isetを生成する。そして、電流設定信号isetから電流センサからの電流検出信号を減算した電流偏差信号Δiに基づいて、励磁アンプ43をPWM制御するための電圧相当信号vを生成する。
As described with reference to FIG. 8, the
図9は、電流設定信号isetに基づく磁気軸受制御に関する伝達関数ブロック図である。電流制御部443は、電流設定信号isetとの定常偏差を極力低減するようにPI制御、すなわち比例(P)要素および積分(I)要素から構成される。1/(LS+R)は磁気軸受電磁石45に関する伝達関数であり、Lは磁気軸受電磁石のインダクタンス、Rは磁気軸受電磁石の抵抗である。なお、入力の電流設定信号isetが概ねそのまま出力に相当するように、1/kを相殺するkゲインが入力部に設けられる。
FIG. 9 is a transfer function block diagram relating to magnetic bearing control based on the current setting signal iset. The
電流制御部全体のゲイン(G)は、フィードバックラインのゲイン(K)に比べて大きく設定されている(G≫k)。通常、Gはkの1000倍以上、場合によっては10万倍程度まで大きく設定される。これにより、励磁アンプの閉ループゲインがフィードバックゲインの逆数値(1/k)になる、一定ゲインのリニアアンプとみなすことができる。 The gain (G) of the entire current control unit is set to be larger than the gain (K) of the feedback line (G >> k). Usually, G is set as large as 1000 times or more of k, and in some cases up to about 100,000 times. As a result, it can be regarded as a linear amplifier having a constant gain in which the closed loop gain of the exciting amplifier becomes the inverse value (1 / k) of the feedback gain.
上述のように、閾値Dthを境界としてセンサ位置変位が大きい領域と小さい領域とに分けた場合に、センサ位置変位が大きい領域ではゲインGを通常の値に設定し、センサ位置変位が小さい領域において電流制御部443のゲインGを小さくすることで、センサ位置変位が小さい領域では外乱応答性は低下するが電流変動を小さくできるので、ロータ軸5からポンプ本体側に伝達される振動をより低減することができる。
As described above, when the sensor position displacement is divided into a large region and a small region with the threshold Dth as a boundary, the gain G is set to a normal value in the region where the sensor position displacement is large, and in the region where the sensor position displacement is small. By reducing the gain G of the
なお、上述した実施の形態では、回転翼3aおよび固定翼22とで構成されるターボポンプ部と、円筒部3bとネジステータ24とで構成されるドラッグポンプ部とを有するターボ分子ポンプを例に説明したが、ポンプロータを磁気軸受装置で磁気浮上支持する構成の真空ポンプであれば、本発明を同様に適用することができる。さらに、本発明に係る磁気軸受装置は、真空ポンプに限らず種々の装置の軸受機構に適用することができる。
In the above-described embodiment, a turbo molecular pump having a turbo pump portion including a
上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。 Although various embodiments and modifications have been described above, the present invention is not limited to these contents. Other aspects conceivable within the scope of the technical idea of the present invention are also included within the scope of the present invention.
1…ポンプ本体、3…ポンプロータ、4A,4B…ラジアル磁気軸受、5…ロータ軸、33…センサ回路、42…モータ、43…励磁アンプ、44…制御部、45,45m,45p…磁気軸受電磁石、46,46m,46p…電流センサ、50,50x1,50y1,50x2,50y2,50x1p,50x1p,51…変位センサ、442…変位変換部、443…電流制御部、445…信号選択部、J…浮上目標位置 1 ... Pump body, 3 ... Pump rotor, 4A, 4B ... Radial magnetic bearing, 5 ... Rotor shaft, 33 ... Sensor circuit, 42 ... Motor, 43 ... Excitation amplifier, 44 ... Control unit, 45, 45m, 45p ... Magnetic bearing Electromagnet, 46,46m, 46p ... Current sensor, 50,50x1,50y1,50x2,50y2,50x1p, 50x1p, 51 ... Displacement sensor, 442 ... Displacement conversion unit, 443 ... Current control unit, 445 ... Signal selection unit, J ... Ascent target position
Claims (3)
前記ロータ軸のラジアル方向の変位を検出する変位センサと、
前記変位センサにより検出されたセンサ位置変位を、前記ラジアル磁気軸受電磁石の位置における磁石位置変位に変換する変位変換部と、
前記磁石位置変位に基づいて前記ラジアル磁気軸受電磁石の励磁電流を制御して、前記ロータ軸の浮上位置を所定位置に制御する電流制御部と、を備え、
前記センサ位置変位の値が予め定められた閾値以下の範囲に含まれる場合には、前記磁石位置変位に基づいて前記ラジアル磁気軸受電磁石の励磁電流を制御し、
前記センサ位置変位の値が前記範囲に含まれない場合には、前記センサ位置変位に基づいて前記ラジアル磁気軸受電磁石の励磁電流を制御する、磁気軸受装置。 A radial magnetic bearing electromagnet that magnetically levitates and supports the rotor shaft in the radial direction,
A displacement sensor that detects the radial displacement of the rotor shaft, and
A displacement conversion unit that converts the sensor position displacement detected by the displacement sensor into a magnet position displacement at the position of the radial magnetic bearing electromagnet.
A current control unit that controls the exciting current of the radial magnetic bearing electromagnet based on the displacement of the magnet position and controls the floating position of the rotor shaft to a predetermined position is provided .
When the value of the sensor position displacement is included in a range equal to or less than a predetermined threshold value, the exciting current of the radial magnetic bearing electromagnet is controlled based on the magnet position displacement.
Wherein when the value of the sensor position displacement is not included in the range, that controls the exciting current of the radial magnetic bearing electromagnet on the basis of the sensor position displacement, the magnetic bearing device.
前記センサ位置変位の値が前記範囲に含まれる場合における前記電流制御部のゲインを、前記センサ位置変位の値が前記範囲に含まれない場合における前記電流制御部のゲインよりも小さく設定する、磁気軸受装置。 In the magnetic bearing device according to claim 1 ,
Wherein the gain of the current control unit is set smaller than the gain of the current controller when the value of the sensor position displacement is not included in the range in the case where the value of the sensor position displacement is included in the range, magnetic Bearing device.
前記ポンプロータを回転駆動するモータと、
前記ポンプロータのロータ軸を磁気浮上支持する請求項1または2に記載の磁気軸受装置と、を備える真空ポンプ。 With the pump rotor
A motor that rotationally drives the pump rotor and
A vacuum pump comprising the magnetic bearing device according to claim 1 or 2 , which magnetically levitates and supports the rotor shaft of the pump rotor.
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