JPH0759954B2 - タ−ボ分子ポンプの磁気軸受装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ロータを回転駆動するロータシャフトを非接
触で５軸制御可能に軸支するサーボ分子ポンプの磁気軸
受装置に関するものである。

［従来の技術］ 従来、ターボ分子ポンプ（以下、TMPと略称する）のシ
ャフトに適用されている軸受構造としては、ロータ（動
翼）をロータ室内で一体に高速回転するロータシャフト
を、該シャフトに回転動力を与える機械室内においてオ
イルベアリングにより軸支するようにするのが最も一般
的である。ところで、この種ロータ等の回転部材を超高
速回転する回転機構においては、一般に軸受構造として
摩擦抵抗の少ない安定した軸承状態の下でシャフトに円
滑な高速回転が保証され、さらに軸受寿命が長くトラブ
ルを発生し難いメインテナンスフリーのものが要求され
ると同時に、特にTMPの場合では炭化水素等による雰囲
気の汚染がないクリーンな真空を得べく油潤滑を必要と
しないで済むものが希求されている。

かかる点より、最近ではTMP用の軸受装置として、従来
使用されてきた接触形のボールベアリング等に代えて、
非接触形のものに特に磁気軸受を利用してシャフトを浮
上軸支するようにしたものも案出されてきている。しか
して、現状においてTMPに用いられているこの種の磁気
軸受装置の概要について述べると、以下のような種類の
ものが列挙される。まず、従来のTMPと駆動方式を共通
するロータをロータシャフトに直接回転せしめるように
したタイプのTMPに関しては、不完全磁気軸受ではある
が最も構造簡易なものとして、ラジアル方向は従来と同
じくボールベアリングで軸支させる一方、アキシャル方
向のみロータシャフトを軸端のスラスト磁気軸受（スラ
スト制御センサを備えた能動形スラスト磁気軸受または
永久磁石）で磁気浮上させるようにした１軸制御可能な
ものがある。また、より高級なものとしては、ロータシ
ャフトを完全に浮上させてこれをラジアル方向の２軸と
アキシャル方向の１軸で３軸制御可能に軸支するように
したものも既に提案されている。すなわち、このものは
ロータシャフトを支承するラジアル制御センサを備えた
１個の２軸能動形ラジアル磁気軸受と軸端におけるスラ
スト磁気軸受（この場合永久磁石を使用するのが通例で
ある）とにより、ロータシャフトをこれら３軸方向から
制御可能に軸支するようにしたものである。次に又、従
来の一般的のTMPと駆動方式を異にし、その固定シャフ
トの外周に別体の外輪ロータを配置し、この外輪ロータ
を固定シャフトの軸心まわりに非接触で回転させるよう
にしたいわゆる外輪回転形タイプのTMPに関しては、そ
の外輪ロータを固定シャフトに対し非接触に保持して軸
支するために、さらに高級な５軸制御可能な磁気軸受装
置を使用している例もある。すなわち、この場合にはそ
の外輪ロータの軸受部を、各ラジアル制御センサを備え
た２個の２軸能動形ラジアル磁気軸受とスラスト制御セ
ンサを備えた１個の能動形スラスト磁気軸受とによっ
て、ラジアル方向の４軸とアキシャル方向の１軸の計５
軸の方向から制御し、より完全な軸受制御をなし得るも
のとしている。

TMPに利用されている既知の磁気軸受装置には以上のよ
うなものがあるが、しかし、これらのものでは次のよう
な点で改善すべき問題点ないしは不都合がある。まず、
前者に掲げた汎用タイプのTMPにおける磁気軸受装置に
ついては、１軸制御系のものは勿論のこと、３軸制御系
のものでもロータシャフトを位置決めする制御精度が不
完全であり、このためシャフトの超高速化を企図する上
では未だ十分信頼性に欠けるという問題があることであ
る。一方、後者に掲げた外輪回転形タイプのTMPで適用
されている５軸制御系のものについては、コスト的には
高くついても、磁気軸受装置自体としては優秀な軸受性
能を発揮できる特徴がある。しかし、この種外輪回転形
タイプのものでは、構造上その外輪ロータを固定シャフ
トに対してオーバーハングさせなければならない制約等
からポンプサイズや内部構造の面で大型複雑化を免れな
いし、また外輪ロータの動バランスの設定が難かしくな
り、ポンプ全体の組立ても非常に面倒なものとなるなど
の克服しがたい不都合を内在している。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明は、このように一長一短ある従来技術を基に、TM
Pに適用すべきより現実的でしかもそのコスト増に見合
うより多くの利点を有する磁気軸受装置を新たに提供す
る目的でなされたものである。すなわち、本発明は基本
的には、TMPに、記述の外輪回転形タイプのものがもつ
諸欠点を蒙らないところのロータのロータシャフトで直
接回転する駆動方式を踏襲しているとともに、このタイ
プのTMPのロータシャフトをより完全な位置決め精度を
可能にする５軸制御可能な磁気軸受により浮上軸支させ
るようにし、さらに併せてこの磁気軸受を組込んだTMP
の機械室内の構成を改良工夫して、その組立、分解の便
や一層の制御精度の向上が図れるようにした優秀な軸受
性能と組立分解等の簡便性の双方に資する磁気軸受装置
を提供せんとするものである。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、このような目的を達成するために、ロータ室
内でロータシャフトにロータを固着している一方、この
ロータシャフトを回転駆動する機械室内において、該シ
ャフトの長手方向に間隔をおいたシャフトまわりに配置
され各々該シャフトをラジアル方向に浮上する２個の２
軸能動形ラジアル磁気軸受と、この各２軸能動形ラジア
ル磁気軸受近傍の前記シャフトまわりに配置されて該シ
ャフトの軸心のラジアル変位を検出するとともにこの変
位量に応じてそれぞれ前記２軸能動形ラジアル磁気軸受
の磁気浮力を可変するラジアル制御センサと、前記シャ
フトの反ロータ側端部に着脱可能に繋着されるスラスト
軸支部を挟んで配置され該シャフトをアキシャル方向に
浮上する能動形スラスト磁気軸受と、前記シャフトのス
ラスト軸支部における反ロータ側端に対面して配置され
該シャフトのアキシャル変位を検出するとともにこの変
位量に応じて前記能動形スラスト磁気軸受の磁気浮力を
可変するスラスト制御センサを設けて、前記ロータシャ
フトを５軸制御で軸支させるとともに、このロータシャ
フトの外径を反ロータ側部位に至る程径小なものに形成
し前記スラスト軸支部を離脱した状態で前記ロータと一
体に該ロータシャフトを機械室内に挿脱可能に挿通し、
さらにこの組立条件を満たす範囲で前記ラジアル制御セ
ンサを該シャフトの軸心から外遠方位置に設けるように
したことを特徴としている。

［作用］ このように構成した磁気軸受装置であれば、ロータシャ
フトの長手方向２個所における各ラジアル方向２軸とア
キシャル方向１軸、計５軸の方向からシャフトの位置を
制御できるものとなるから、その制御精度は今までの３
軸以下の制御系のものに比べるとそれだけで飛躍的に改
善されるばかりでなく、特に各ラジアル制御センサをシ
ャフトの軸心から外遠方位置に設けるように工夫してい
るのでシャフトの傾動に伴なう微小なラジアル変位に対
するラジアル制御センサの感度を有効に高めることがで
き、このため一層高精度な制御が実現できるものとなっ
ている。また、ロータシャフトの制御特性が向上される
のみならず、そのスラスト軸支部を離脱した状態では、
ロータシャフトがロータと一体に機械室内に挿脱可能で
あるから、その組立分解作業が非常に簡便なものとさ
れ、さらに、ロータシャフトとロータと一体にして動バ
ランスを調整修正した後、この回転軸系をそのまま組込
んで組み立てることも容易であるから、TMP回転軸系に
動バランスをとることが簡単確実になし得るという利点
をもっている。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

第１図は、本発明に係る磁気軸受装置を備えたTMPの構
成例を示し、図において、上方の外枠ケースＣ内にロー
タ室（真空室）Ｒを、下方のモータハウジングＨ内に機
械室Ｍを設けている。しかして、まずロータ室Ｒ内で
は、ロータ１の外周から突設されるロータ翼（動翼）２
とケースＣ内周から突設されるステータ翼（静翼）３と
を交互に配置して所要のタービン翼列を構成していると
ともに、機械室Ｍからロータ室Ｒ内に延出されているモ
ータシャフト４の上端部4Aに締着ボルト5aで該ロータ１
を一体回転可能に固着している。一方、このロータシャ
フト４を所定の軸心まわりに回転駆動する機械室Ｍの内
部には、該ロータシャフト４に回転動力を与えるビルド
インモータ６と、各制御センサを具備してロータシャフ
ト４をラジアル方向とアキシャル方向の５軸で非接触で
かつ位置制御可能に軸支する能動形磁気軸受（２個のラ
ジアル磁気軸受７、８と１個のスラスト磁気軸受９）
と、さらにロータシャフト４を直接軸支し得るタッチベ
アリング14、15とを設けている。この機械室Ｍ内部の構
成を詳説すると、まず機械室Ｍをその軸心方向に貫通し
ているロータシャフト４の長手方向中途部におけるシャ
フト４まわりにビルドインモータ６を配設している。こ
のモータ６は、ハウジングＨの内面に固定されたモータ
ステータ6aとロータシャフト４の外面に固定され該シャ
フト４と一体回転するモータロータ6bとからなる。この
駆動用モータ６を上下に挟むロータシャフト４の長手方
向に間隔をおいたシャフト４まわりに、その近傍に各ラ
ジアル制御センサ10、11を付帯してシャフト４をラジア
ル方向に浮上する上下一組の２軸能動形ラジアル磁気軸
受７、８を配置している。この２軸能動形ラジアル磁気
軸受７、８は第３図に示すように、各々ロータシャフト
４を垂直に切る平面上でその軸心Ｏと交叉しかつ互いに
直交する２軸（x₁₂、y₁₂）、（x₃₄、y₃₄）の方向に２対
の電磁コイルを対向状に配置して構成されるもので、こ
れらのコイルに通電される高周波電流に応じてロータシ
ャフト４に対する磁気浮力を可変することができ、ロー
タシャフト４の軸心Ｏを前記２軸の方向から自在に調整
できるようになっている。そして、このラジアル磁気軸
受７、８は、ロータシャフト４の対面するラジアル軸支
部4c、4dとの間にある微小な隙間（例えば片側0.1mm程
度）を設定してハウジングＨ側に位置決め固定されてい
る。また、この上下の２軸能動形ラジアル磁気軸受７、
８近傍のロータシャフト４まわりに、これら両ラジアル
磁気軸受７、８を間に挟むようにして前記ラジアル制御
センサ10、11を配置している。このラジアル制御センサ
10、11は、それぞれの位置におけるロータシャフト４の
軸心Ｏの前記２軸（x₁₂、y₁₂）、（x₃₄、y₃₄）の方向に
おけるラジアル変位を検出するとともに、この検出変位
信号をTMPの電源ユニット（図示せず）に内蔵されてい
る前記ラジアル磁気軸受７、８の各電磁コイルに対する
給電手段にフィードバックし、それぞれ対応する前記ラ
ジアル磁気敷受７、８の２敷方向の磁気浮力をその検出
変位量に応じて可変してロータシャフト４の軸心を制御
するためのものである。より具体的には、前記ラジアル
磁気軸受７、８、の各電磁コイルと対応する位相位置
に、各々シャフト４の対面するラジアルセンシング部4
b、4eとの近傍容量変化で前記２軸（x₁₂、y₁₂）、
（x₃₄、y₃₄）方向の各ラジアル変位を感知する渦電流式
センサ等を配置してなるものである。さらに、この機械
室Ｍに挿通するロータシャフト４の反ロータ側端部に、
このシャフト４と別体に形成され該シャフト４に着脱可
能に繋着されるスラスト軸支部12を設けているととも
に、このスラスト軸支部12を上下から近接挟持するよう
にしてシャフト４をアキシャル方向に浮上するための能
動形スラスト磁気軸受（電磁コイル）９、９を配置して
いる。すなわち、前記スラスト軸支部12は中心に軸貫通
孔を穿った鍔状部材からなり、この鍔状部材をロータシ
ャフト４の下端の小径軸端部4Bに嵌挿しさらにキャップ
ナット5bを螺着してロータシャフト４の下端部から直立
状に突設され、前記ナット5bを介してロータシャフト４
の軸端部4Bに着脱可能に繋着されている。そして、前記
スラスト磁気軸受９は、このスラスト軸支部12を組立状
態の下でその上下円周部においてある微小な隙間（例え
ば片側0.30mm程度）を設定して上下一対に近接配置され
ている。この能動形スラスト磁気軸受９は、やはりロー
タシャフト４の前記スラスト軸支部12を挟んで対設され
る電磁コイルに通電しその電流変化によってロータシャ
フト４に対する磁力浮力を可変することができ、第３図
に示すように、ロータシャフト４をアキシャル方向の１
軸（ｚ）方向に自在に位置調整できるようになってい
る。また、この能動形スラスト磁気軸受９には、該スラ
スト磁気軸受９の磁気浮力をロータシャフト４のアキシ
ャル変位に応じて可変すべくスラスト制御センサ13を付
帯して設けている。このスラスト制御センサ13は、ロー
タシャフト４に繋着されている前記スラスト軸支部９の
反ロータ側端、即ち前記キャップナット5bの下端と対面
するモータハウジングＨの底蓋部内面上で該ナット下端
面に近接配置される。このスラスト制御センサ13には、
前記ラジアル制御センサ７、８と同様の渦電流式センサ
等が利用されるとともに、該センサ13は前記スラスト軸
支部12を挟んだ状態で前記スラスト磁気軸受９を内蔵し
ている軸受ブロックＢの下端に固設されたホルダ16の上
に位置決め保持されている。そして、このスラスト制御
センサ13は、ロータシャフト４の前記１軸（ｚ）方向に
おけるアキシャル変位を検出するとともに、前記ラジア
ル制御センサ７、８と同じくその検出変位信号をTMPの
電源ユニットに内蔵されたスラスト磁気軸受９の各電磁
コイルに対する給電手段にフィードバックし、そのアキ
シャル（ｚ）方向の磁気浮力をその検出変位量に応じて
可変してロータシャフト４のスラストを制御できるよう
にしている。

したがって、これら２個のラジアル磁気軸受７、８とス
ラスト磁気軸受９とにより、ロータシャフト４は、第３
図のように、間隔をおいた２平面におけるラジアル方向
の各２軸（x₁₂、y₁₂）、（x₃₄、y₃₄）と、アキシャル方
向の１軸（ｚ）計５軸で制御可能に軸支されている。

また、前記タッチベアリング14、15は、停電などの緊急
時やロータシャフト４を磁気浮上する必要のない運転停
止時などにシャフト４を軸支させるためのものであっ
て、前記モータ６、前記ラジアル磁気軸受７、８および
前記ラジアル制御センサ10、11の間に挟むロータ側と反
ロータ側とで、各ロータシャフト４の所定のベアリング
支承部4a、4fに対面して配設されている。そして、上方
ロータ側のタッチベアリング14は、前記モータハウジン
グＨ側に固定されてシャフト４をラジアル方向に支承
し、下方反ロータ側のタッチベアリング15は前記軸受ブ
ロックＢに固持されてシャフト４をラジアル方向とアキ
シャル方向に支承する役割を担っている。なお、これら
タッチベアリング14、15とロータシャフト４との間の間
隙は、前記ラジアル磁気軸受７、８および前記スラスト
磁気軸受９の各設定間隙よりも小さく設定され、TMPの
停止時などでは該タッチベアリング14、15がロータシャ
フト４を直接軸支するようになっている。

しかして、かかる構成要素からなる磁気軸受装置では、
図示の如く、その機械室Ｍ内でロータシャフト４まわり
に上方ロータ側から、順に、前記タッチベアリング14、
前記アジアル制御センサ10、前記ラジアル磁気軸受７、
前記モータステータ6a、前記ラジアル磁気軸受８、前記
ラジアル制御センサ11および前記タッチベアリング15が
配置され、さらにロータシャフト４の下方反ロータ側端
部に繋着された前記スラスト軸支部12に前記スラスト磁
気軸受９と前記スラスト制御センサ13が配置されてい
る。そして、この磁気軸受装置を設けた機械室Ｍ内をそ
の軸心方向に挿通しているロータシャフト４には、前記
ベアリング支承部4a,4f、前記ラジアルセンシング部4b,
4eおよび前記ラジアル軸支部4c,4dにそれぞれ該シャフ
ト４と別体のリング部材を一体回転可能に外嵌固定して
これら各部に所要の隙間寸法を与えているとともに、第
２図に示すように、ロータシャフト４に固設されるこれ
らのリング部材および前記モータロータ6bの外径寸法
に、D1＞D2≧D3≧D4≧D5≧D6＞D7なる関係を与えるよう
にしている。すなわち、ロータシャフト４の長手方向各
部における外径をロータ側から反ロータ側に至る程径小
なものに形成している（機械室Ｍ内のシャフト挿通空間
も上広下狭になっている）。そして、このロータシャフ
ト４は、その下端部に繋着される鍔状の前記スラスト軸
支部12を前記ナット5bの螺合を解除して離脱した状態で
は、前記ロータ１を取り付けたままで該ロータ１と一体
にロータ室Ｒ側から機械室Ｍ内に挿脱できるようになっ
ている。

さらに、このような組立条件を満たすことを前提とし
て、前記ラジアル制御センサ10、11はロータシャフト４
の軸心Ｏからできるだけ離れて円周位置に配置するよう
にされており、このため前記ラジアルセンシング部4b,4
eは前述のように、別体のリング剤を嵌着してそれら各
部位の外径寸法が径大（D2、D6）なものになるように工
夫されている。

なお、第１図において、17と18はこのTMPの吸気口と排
気口であり、19は機械室Ｍ内への電源導入部を示す。

以上の構成を具備してなる磁気軸受装置の作用、効果に
ついて説明すると、まず第１にこの軸受装置では、その
磁気軸受７、８および９の磁気浮力で軸支されるロータ
シャフト４の位置決め制御精度が非常に高く、シャフト
４を常に最適の非接触状態で軸承できるのが特徴であ
る。すなわち、このものではロータシャフト４の長手方
向に間隔をおいた２個所に配設された２軸能動形ラジア
ル磁気軸受７、８とシャフト４の軸端１個所に配設され
た能動形スラスト磁気軸受９とで、前述のように各ラジ
アル方向の２軸（x₁₂、y₁₂）、（x₃₄、y₃₄）とアキシャ
ル方向の１軸（ｚ）、計５軸の方向からそれぞれシャフ
ト４の変位を検出し該シャフト４をフィードバック制御
するようにしているから、ロータシャフト４のラジアル
方向とアキシャル方向の変位並びにその傾動を的確に修
正して該シャフト４を絶えず所定の軸心位置に収束保持
することが可能であり、既存の３軸以下の制御系のもの
に比べるとそれだけで制御精度が飛躍的に改善されるも
のとなる。そして又、この５軸制御装置においては、特
にそのラジアル制御センサ10、11をロータシャフト４の
軸心Ｏから外遠方位置に設けるようにしているので、シ
ャフト４の傾動に伴なう微小なラジアル変位に対しても
各ラジアル制御センサ10、11が鋭敏に感知することがで
き、このセンシング性能向上によりシャフト４の振動な
どに対する制御精度の一層の向上を可能ならしめてい
る。

また、このものでは第２に、TMP全体としての組立、分
解が非常に簡便なものとなり、さらにロータ１を含む回
転系の動バランスの調整修正が容易化されるのが特徴と
される。すなわち、ロータシャフト４はその下端のスラ
スト軸支部13を離脱した状態ではロータ１と一体に機械
室Ｍ内に挿脱可能なのであるので、組立時にはロータ取
付状態でロータシャウト４をその収容空間に挿入するだ
けでセットできるし、分解時には逆に軸受装置を組み外
すことなく、ロータ１ごとシャフト４を機械室Ｍから抜
き取るようにすれば足り、いずれも作業がきわめて簡便
になし得る。そして、このようにロータシャフト４とロ
ータ１とが一体に組立分解できるものであるから、前記
スラスト軸支部13を除いた回転軸系の殆どを一体に組立
てた状態で、まずその動バランスを動バランス機で調整
修正し、その後この動バランスをとった組立品をそのま
ま組込むことができ、TMP回転軸系の動バランスの確保
する上で非常に好都合なものとなる利点がある。

本発明は、好適には上記実施例に示したように、実施さ
れるものであるが、ロータ室Ｒや機械室Ｍの具体的な内
部構成は、５軸制御可能な磁気軸受装置を具備しかつ叙
述のような特定の配置組立条件を満足するものであれ
ば、必ずしも図示例のものに限らないことは勿論であ
る。

［発明の効果］ 本発明は、以上に述べたように、ロータをロータシャフ
トで直接回転する駆動方式のTMPに適用される磁気軸受
装置として、特にそのロータシャフトの制御精度に優
れ、しかもその組立分解が簡便で回転軸系の動バランス
の調整も容易となる特徴を兼備したものを提供すること
ができたものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すTMP磁気軸受装置の断
面図である。第２図はこの磁気軸受装置の機械室内おけ
る構成部材の配置と寸法関係を説明するための概略図で
ある。第３図は本発明に係る５軸制御の概要を示す説明
図である。 Ｃ……外枠ケース、Ｒ……ロータ室 Ｈ……モータハウジング、Ｍ……機械室 １……ロータ ４……ロータシャフト 4a、4b、4c、6b、4d、4e、4f……ロータシャフトの長手
方向部位 ６……ビルドインモータ ７、８……２軸能動形ラジアル磁気軸受 ９……能動形スラスト磁気軸受 10、11……ラジアル制御センサ 12……スラスト軸支部 13……スラスト制御センサ 14、15……タッチベアリング

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西川 秀人 京都府京都市右京区西院追分町25番地 株 式会社島津製作所五条工場内 (72)発明者 古市 靖孝 京都府京都市右京区西院追分町25番地 株 式会社島津製作所五条工場内 (72)発明者 京谷 拓知 大阪府大阪市南区鰻谷西之町二番地 光洋 精工株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−45792（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−79695（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ロータ室内でロータシャフトにロータを固
   着している一方、このロータシャフトを回転駆動する機
   械室内において、該シャフトの長手方向に間隔をおいた
   シャフトまわりに配置され各々該シャフトをラジアル方
   向に浮上する２個の２軸能動形ラジアル磁気軸受と、こ
   の各２軸能動形ラジアル磁気軸受近傍の前記シャフトま
   わりに配置されて該シャフトの軸心のラジアル変位を検
   出するとともにこの変位量に応じてそれぞれ前記２軸能
   動形ラジアル磁気軸受の磁気浮力を可変するラジアル制
   御センサと、前記シャフトの反ロータ側端部に着脱可能
   に繋着されるスラスト軸支部を挟んで配置され該シャフ
   トをアキシャル方向に浮上する能動形スラスト磁気軸受
   と、前記シャフトのスラスト軸支部における反ロータ側
   端に対面して配置され該シャフトのアキシャル変位を検
   出するとともにこの変位量に応じて前記能動形スラスト
   磁気軸受の磁気浮力を可変するスラスト制御センサとを
   設けて、前記ロータシャフトを５軸制御で軸支させると
   ともに、このロータシャフトの外径を反ロータ個部位に
   至る程径小なものに形成し前記スラスト軸支部を離脱し
   た状態で前記ロータと一体に該ロータシャフトを機械室
   内に挿脱可能に挿通し、さらにこの組立条件を満たす範
   囲で前記ラジアル制御センサを該シャフトの軸心から外
   遠方位置に設けるようにしたことを特徴とするターボ分
   子ポンプの磁気軸受装置。