JPS5993992A - 軸流分子ポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、釣鐘型のロータを電磁石と永久磁石とで、あ
るいは電磁石のみで、無接触支持する磁気軸受を利用し
た軸流分子ポンプに関するものである。

放射状の翼のついたロータを高速で回転させる軸流分子
ポンプは、既に種々の形式のものが提案、発表さＣてい
るが、ロータを高速で回転させるために、ロータの支持
部ｃ軸受部〕に関係して、種々の問題が生じる。

従来から良く知らｎている油滑側を要する機械軸受でロ
ータを支持するタイプの軸流分子ポンプは、ポンプの運
転時は吸気口側から排気口側への気体分子の流ｎによっ
て、油から分別さｎる炭化水素は吸気口側へ逆流しない
けれども、運転中止時には、気体分子の流牡が失わｎｌ
この炭化水素が不都合にも拡散によって、吸気口側へ達
する可能性がある。このような炭化水素は、表面物理等
の実験には許さしず、軸流分子ポンプの使用範囲を制限
したり、炭化水素の逆流を防ぐ高価なノくルブを必要と
するなどの原因となっている。ｔｉ軸流分子ポンプは、
翼を高速で回転させｎはさせる程、その性能が増大する
特性を持っているが、軸受の寿命が、回転速度を速くす
る程短くなるために、ロータの回転速度には限界が存在
する。

また磁気的な１つの軸方同軸受と、磁気的な２つの径方
向軸受でロータを無接触支持する５軸制御型磁気軸受を
採用した軸流分子ポンプ（特公。

昭５７−３０９９８参照）が発表さｎているが、この軸
流分子ポンプは、油潤滑の必要がないため、炭化水素の
吸気口側への逆流がないという利点をもっている反面、
ロータの自由度の回転以外の５自由度すべてを能動的に
制御する方式のため、位置センサー、ゲイン、位相補償
回路、電磁石駆動回路、電磁石などからなる制御ループ
を５組も必要とし、そのため軸受構造、回路が複雑にな
り、機械軸受方式に比べて、高価格、大型になる欠点を
持っている。また、無接触支持故に軸受の摩擦による寿
命の心配はないけ肚ども、回路の信頼性によって寿命が
規定さｎ１回路素子数が多いため七〇程軸受寿命が長く
ならない上に、この軸流分子ポンプは、アウターロータ
方式であるため、回転中に材料強度の弱い電磁鋼板に大
きな遠心力が働くようになり、回転速度を大きく上げら
ｎないなど、この方式は、磁気軸受の特性の一つである
無接触支持である事を十分に活用していない。

そのため、回転軸方向だけを能動的に制御して、他の径
方向４自由度を受動的に拘束する方式の構造も回路も簡
単な磁気軸受を採用した軸流分子ポンプ（特開、昭５６
−１２０９５参照）も提案さｎているが、この方式の軸
受け、径方向の減衰がほとんどないので、ロータ回転速
度を上昇させてゆく時に、振ｎ回りのために系の共振点
を通過できなかったり、外乱による振ｎ回りが大きいな
どの問題のために実用化さｔていない。

またロータ上方を磁気的な軸受、下方を機械軸受とした
軸流分子ポンプ（米国特許第３７４９５２８号参照）が
発表されているが、こｎは磁気軸受を採用して、油潤滑
を不用にしたり、無接触でロータを支持するという磁気
軸受を採用する事の利点を無駄にしている。

本発明は、上記欠点を考慮して、ロータの回転以外の５
自由度のうち３自由度を能動的に制御し残りの２自由度
は受動的に拘束支持する磁気軸受を軸流分子ポンプに採
用し、インナーロータ方式でロータを回転させる事によ
り、従来の５軸制御型磁気軸受採用の場合に比べて、軸
受構造、回路を簡素化し、高信頼性、小型化、低コスト
化、高速回転化を実現すると伴に、オイルフリー、ロー
タの安定な回転も同時に実現する事を目的とするもので
ある。

第１図は、本発明の実施例の縦断面図である。

径方向変位センサー１により、シャブト３の径方向の平
衡点からの変位量を検出し、その信号をここでは図示し
ていないが、ゲイン、位相補償回路と電磁石駆動回路を
通して径方向電磁石２を駆動する事によって、安定にシ
ャフト３を径方向平衡点に引き戻し保持するようになっ
ている。径方向を能動的に制御するには、ある方向とそ
ｎに線型独立なもう一つの方向の２方回を制御する必要
があるので、上記ゲイン、位相補償回路と電磁石駆動回
路は、２組必要である。軸方向は、固定側永久磁石４と
回転側永久磁石５を互いに吸引し合うように配置し、シ
ャフト３が、常に固定側永久磁石４の方へ吸引さ匹るよ
うにする。そして軸方同変位センサー６により、シャフ
ト３の軸方向の平衡点からの変位量を検出し、その信号
をここでは図示していないが、ゲイン、位相補償回路と
電磁石駆動回路を通して、軸方同電磁石７に流すコイル
電流を制御する事により、シャフト３を固定側永久磁石
４と反対の方向へ吸引する力を制御して、シャフト３を
安定に軸方同平衡点に引き戻し保持するようになってい
る。この場合は、ゲイン、位相補償回路と電磁石駆動回
路は１組で良い。

従来の５軸制御型磁気軸受の場合は、こｎらに加えて更
にもう一ケ所、径方向を能動的に制御するセンサー、電
磁石、回路などが必要であるが、本発明においては、上
記軸方同電磁石７、固定側永久磁石４、回転側永久磁石
５によって、七牡らの働きを兼させる。即ち平衡状態に
おいて、軸方向電磁石７の吸引力と固定側、回転側永久
磁石４゜５の吸引力が軸方向に互いに反対方向に作用し
ているので、シャフト３が径方向に平衡点から変位した
場合、了−マチュアディスク８と回転側永久磁石５の位
置が、軸方向電磁石７と固定側永久磁石４に対して径方
向にず肚、そ牡に比例して元の位置に戻そうとする復元
力が働く。この力によって、シャフト３の径方向位置を
平衡点に受動的に拘束保持するのである。この様にして
シャフト３を拘束保持する事により、従来の５軸制御型
磁気軸受の場合に比べて、構造面では、径方向電磁石と
径方向センサーが１組、回路面では、ゲイン。

位相補償回路と電磁石駆動回路が２組省略できる０その
ため１従来と比べて小型、低コスト化が可能になり、更
に回路部品数が、はぼ３７５程度になる事により、信頼
性も同上する。

磁気軸受により支持さｔたシャフト３に、翼のついた釣
鐘形のロータ９をシャフト３と磁気軸受全体をおおう様
に取υ付け、こｎを、径方向電磁石２と軸方向電磁石７
０間に配置したインナーロータ方式の駆動モータ１０に
より高速回転させる。

高速で回転するロータ９の翼と固定翼１３とで、吸気口
１１から排気口１２への気体分子の流ｎができ、真空ポ
ンプとして働く。ここで、ロータ９がシャフト３と磁気
軸受全体をおおう様に取り付けられているので、気体分
子の流ｎをさえぎる事もなく、また、ガスが発生する心
配のある電磁石やモータなどはすべて低真空側に配置さ
ｎ、Ｌがも油潤滑の軸受をまったく使用していないので
、完全にオイルフリーな高品質の真空を効率良く作る事
ができる。

ロータ３を高速で回転させるために、駆動モータはイン
ナーロータ方式にして、回転子１４の外径をできる限り
小さくシ、軸方向電磁石７のヨークは分割して、外側磁
極を軸方向電磁コモ径よりも内側磁極に近づけるように
して、了−マチュアディスク８の外径を小さくシ、回転
側永久磁石５は回転側永久磁石ホｉダー１５に圧入する
事により、永久磁石に予圧をかけ、高速回転時の遠心力
に耐える構造にしている。

この磁気軸受システムで安定な回転が実現できる事を第
２図を用いて説明する。第２図は、軸受部をバネとダン
パーを用いて模式的に示したものである。径方向変位セ
ンサー１、径方向電磁石２、回路からなる径方向磁気軸
受の働きは、径方向のバネ定数に１　と減衰定数ｄ１が
２組で表現さｎる。軸方向変位センサー６、軸方向電磁
石７、永久磁石４，５９回路からなる軸方同軸受の働き
は、軸方向が、バネ定数に、と減衰定数ｄ３で、径方向
が、バネ定数に念と減衰定数ｄ２が２組で表現さｎる。

ここでｄ、　　とｄａは、回路によって能動的に作らｎ
るめで十分大きな値にできるが、ｄ２は軸方向電磁石７
の吸引力と固定側、回転側永久磁石４，５の吸引力から
作らｎる受動的な径方向復元力の減衰成分のため、積極
的に減衰をかけていないので、’１　　ｓ　ｄ−３に比
べるとほとんど零Ｃｃｌ＊　＜ｄｌ　　−ｄａ　）であ
る。シャフト３の運動は、軸方向と径方向の運動に分離
でき、軸方向の運動は完全に能動的に制御しているので
、ここでは径方向の運動のみに限定する。シャフト３．
ロータ９、回転側永久磁石５、アーマチュアディスク８
、回転側永久磁石ホルダ−１５等第１図において回転す
る部品全体を第２図では、回転体１６で示す。回転体１
６の重心を０１バネ定数に１の作用点をＡ１バネ定数に
、の作用点をＢ、ＧＡ間の距離を／、、、ＧＢ間の距離
をＬ２、回転速度をω、質量を常、半径方向の慣性モー
メントを工τ、軸方同の慣性モーメントを工αとし、適
当な直交座標軸πｙｚを取ｐ、ｒ；、ｙ、ｚ軸回りの回
転角をθＸ、θｙ、θごとし、回転体の重心Ｇの平衡点
からの変位量をＺｅ’ｌｌｅロータ軸の傾きをθ２．θ
１として、回転体の径方向の運動方程式をたてると以下
のようになる。

θ＝０２＋りσｙ ここで−（ｋｌ＋ｋｌ）／惧と−（ｄｔ＋ｄ宜）／惧が
重心Ｇの並進運動に対するバネ定数と減衰定数に対応し
、　　Ｃｋｓ　ｔｔ”＋に＊　Ｌｓ”）Ａτ＋ｊ工αω
／工ｒが重心回りの回転運動に対するバネ定数と減衰定
数に対応する。またーｊ　Ｃｋｓｌｌ　　ｋ＠　Ｌ＠　
）　／ｆｒＬｇ　　ｊ　（ａｌ　ｔｌ　　（１２Ｌｚ）
／ＷＬｅｊ　（ｋｘ　　Ｌｓ　　ｋｘ　Ａｔ）工ｒ　／
　＃　３（ｄｔ　Ａｔ　　ｄｌ＊　Ｌｘ）／工ｒは、重
心の並進運動と重心回りの回転運動との相互作用に関係
する項である。

重心の並進運動と重心回りの回転運動の減衰定数がｄｌ
とｄ、あるいはｄ、ｔｔ”とｄ、ｔ、”の和に関係する
事から、ｄ、がほとんど零であってもｄｌによって七〇
らの値を十分な値にできるので、本発明の方式の磁気軸
受によっても安定な回転が実現できる。更にに１ｔ、＝
に、ｔ、なる関係になるように、回転体の重心Ｇの位置
と径方向軸受の径方向のバネ定数に、と軸方同軸受の受
動的な径方向のバネ定数に重とを適当に設定すると、即
ち、点ＧがＡＢ間をに、、に１に内分するようにすると
、（１）式においてｄｌ　、ｄ、が零の場合を考えると
わかるように、重心の並進運動と重心回りの回転運動の
相互作用の項がなくなり、この系の２つの共振点がもつ
とも近づいた状態になる。

そのため、前記相互作用による振動がな（なり、まｆｃ
２つの運αｂモードに対する減衰率も近づいてくるので
、２つある某の共振点の通過が容易になる。その上、軸
流分子ポンプの姿勢ｔ−第１図において９０度回転させ
たようにした場合に、上記ｋｌｔ□＝に、ｔ、なる関係
に設定しておくと、シャフト３が水平に保持されるとい
う利点もある。

回転体を高速で回転させる場合、良（知らｔているよう
に、回転体に内部減衰がおると自励振動が発生して、回
転体の回転が不安定になる事がある。この自励振動の生
じる回転速度は、回転体の慣性モーメントの化工ａ／工
τと回転体の内部減衰ηｉと外部減衰η。の比η。／η
ｉに関係し、こ肚らの比が増大するに従って、自励振動
の生じる回転数が上昇する。ここで内部減衰とは、回転
体円部に生じるエネルギー消費に関係し、構成部品間の
摩擦や構成部品に流肚る渦電流などでおこり、反対に外
部減衰とは、回転体の運動によって回転体以外の固定側
に生じるエネルギー消費に関係し、回路によって能動的
に作る減衰や固定側に流ｎる渦電流などでおこる。そこ
で不発明においては渦電流による減衰に注目し、固定側
永久磁石４、軸方向電磁石７１．駆動モータ１０、径方
向電磁石２を支持している固定側支持体１７に非磁性で
導電率の高いアルミ材などを用い、反対に回転側永久磁
石５を保持している回転側永久磁石ホルダー１５と、シ
ャフト３のモータの回転子１４と径方向電磁石回転部１
８と径方向変位センサーターゲット１９以外の部分を非
磁性で導電率の低いステンレス材を用いて、　。／　ｉ
を大きくシ、設定回転速底円で自励振動が発生しないよ
うにしている。本発明では、アルミ材とステンレス材を
用いたが、強度的に許さｎる鹸囲で、非磁性で導電率が
でき兎限り高い材質と非磁性で導電率のできる限り低い
材質を用いるのが、自励振動の発生する回転速度を高く
するのに最適である。またシャフト３のモ−タ、電磁石
、センサーに関係しない部分を非磁材にする事によって
、軸方向電磁石７の漏ｎ磁束による吸引力の影響をシャ
フト３が受けないようにしている。

第３図において、回転体の重心を０１軸方向電磁石また
は永久磁石のある一つの対同位置をＤとし、ＧＤ間の距
離をｔ、Ｇを通る平衡状態の回転軸重からＧＤへの角度
をθ、径方向の受動的な径方向バネ定数をｋｒ、回転軸
１方間の不安定バネ定数をに１Ｌとすると、重心０回り
の回転に対する回転バネ定数器〇は、以下のようになる
事が知らルている。

従ってにθを大きくするには、Ｋｒを増大させる事はも
ちろんであるが、Ｌを長く、θを小さくす肚ば良い。そ
こで本発明においては、アーマチュアディスク８の外径
を小さくする所で説明したように、軸方同電磁石７のヨ
ークを分割した構造にする事により、外側磁極をできる
限り内側磁極に近づけ、各磁極位置の前述した角度θを
小さくするようにしてにθの増大化をはかつている。

以上により本発明の一実施例を説明したが、軸方向を能
動的に制御保持すると同時に径方向も受動的に拘束保持
する働きをする部分を、第４図に示すように、軸方向電
磁石７を２つ対問させた方式や、第５図に示すように、
永久磁石２１を軸方向電磁石７のヨークに挿入してバイ
アス磁束を永久磁石で発生させる方式や、第６図に示す
ように、片側を本発明と同様に永久磁石を対問させ、も
う一方の軸方向電磁石７のヨークに永久磁石２１を挿入
してバイアス磁束を永久磁石で発生させる方式なども考
えらｎる。

以上説明したように、本発明によ几ば特許請求の範囲に
示すようにする事によυ、従来の５軸制御箆磁気軸受を
採用した軸流分子ポンプに比べて、軸受構造と回路が簡
単になり、また高速で安定な回転も実現できるので、オ
イルフリーでしかも高信頼性、小型、高性能、低コスト
の軸流分子ポンプが実現できる効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例である軸流分子ポンプの縦
断面図で、第２図は、本発明の磁気軸受システムを模式
的に表現した図で、第３図は、径方向バネ定数と軸方向
安定バネ定数と重心回りの回転バネ定数の関係を説明す
るための図で、第４図、第５図、第６図は、本発明の実
施例の構造の一部分の縦断面図である。 符号の説明 １、。゛径方向変位センサー、２０．径方向電磁石、３
１．シャン）、４．、固定側永久磁石、５０６回転側永
久磁石、６０．軸方向変位センサー７゜、軸方向電磁石
、８０．アーマチュアディス７．９．。ロータ、１００
．駆動モータ、１１０．吸気口、１２０．排気口、１３
１．固定翼、１４・・回転子、１５．、回転側永久磁石
ホルダー、１６．。回転体、１７　、　、固定側支持体
、１８．。径方向電磁石回転部、１９　ｓ　＊径方向変
位センサーターゲット、２００．軸方向電磁コイル、２
１．、永久磁石、Ｇ。。 回転体の重心。 ｊｌｌｌ　　鴫 第２図　　　　第３関 第４回 第、５″　　図 ｆＢ　４　図 ５４２−

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）磁気的な１組の径方向軸受と磁気的な１組の軸方
   向軸受により、シャフトの回転軸回りの回転以外の５自
   由度の内で３自由度を能動的に制御拘束し、残りの２自
   由度を受動的に拘束する磁気軸受により支持さｎたシャ
   フトに釣鐘形のロータをシャフトと磁気軸受全体をおお
   う様に取りつけ、径方向軸受と軸方向軸受の間に配置し
   た、インナーロータ方式の駆動モータでロータを高速で
   回転させる事を特徴とする軸流分子ポンプ。
2. （２）シャフトとロータなどから構成さｎる回転体全体
   の重心位置が、径方向軸受の径方向バネ定数と軸方向軸
   受の受動的径方向バネ定数との比のほぼ逆比に、そｒ＜
   −ｔ’ｎ、の軸受の作用点を内分するように、重心位置
   と径方向バネ定数を設定する事を特徴とする特許記求範
   囲第１項記載の軸流分子ポンプ。
3. （３）軸方同軸受の回転側永久磁石を永久磁石支持体に
   圧入する事を特徴とする特許請求範囲第１項記載の軸流
   分子ポンプ。
4. （４）固定側永久磁石と軸方同電磁石と駆動モータと径
   方向電磁石を支持している固定側支持体に非磁性で導電
   率の高いたとえばアルミ材などを用い、反対に回転側永
   久磁石を保持している回転側永久磁石ホルダーと、回転
   体のシャフトのモータ、電磁石、センサー、に関係しな
   い部分を非磁性で導電率の低いたとえばステンレス材な
   どを用いる事を特徴とする特許請求範囲第１項記載の軸
   流分子ポンプ。
5. （５）軸方同電磁石のヨークを分割して組み立てる構造
   にする事により、軸方同電磁石の外側磁極を、軸方向電
   磁石コイルの外径よりも内側磁極に近づける事を特徴と
   する特許請求範囲第１項記載の軸流分子ポンプ。。