KR100644852B1

KR100644852B1 - 자기베어링 보호장치 및 터보분자펌프

Info

Publication number: KR100644852B1
Application number: KR1020000015831A
Authority: KR
Inventors: 고모리야미야코
Original assignee: 비오씨 에드워즈 가부시키가이샤
Priority date: 1999-03-29
Filing date: 2000-03-28
Publication date: 2006-11-13
Also published as: DE60005882T2; JP2000283160A; EP1046821A2; KR20000063039A; EP1046821B1; DE60005882D1; EP1046821A3; US6604918B2; US6422837B1; US20020155013A1; JP3215842B2

Abstract

본 발명은 회전체의 과대 진동 및 외부로부터의 진동에 대해 안정된 제어가 유지될 수 있는 자기베어링 보호장치 및 터보분자펌프를 제공한다.

반경방향 위치제어용 전자석(3A, 3B)과 축방향 위치제어용 전자석(5)에 흐르는 전류치가 일정시간, 소정의 설정치에 계속해서 도달하는 경우에 자기베어링을 정지하고, 자기베어링을 보호한다. 이 때, 반경방향 위치제어용 전자석(3A) 등을 흐르는 전류치에는 아무런 규제를 하지 않기 때문에, 로터 블레이드(1)의 진동 등이 조기에 안정된다. 이 때문에, 보호 베어링(13, 15)에 부여되는 부하도 적게 된다.

Description

자기베어링 보호장치 및 터보분자펌프{MAGNETIC BEARING PROTECTIVE DEVICE AND TURBOMOLECULAR PUMP}

도 1은 본 발명의 실시 형태를 도시하는 구성도.

도 2는 플로워챠트.

도 3은 종래의 5축 제어형 자기베어링을 구비한 터보분자펌프의 구성도.

도 4는 대기 돌입시의 로터 블레이드의 진동의 상태를 도시하는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>

1 : 로터 블레이드

3A, 3B : 반경방향 위치제어용 전자석

5 : 축방향 위치 제어용 전자석

11A : 전류증폭기

13, 15 : 보호베어링

본 발명은 자기베어링 보호장치 및 터보분자펌프에 관한 것으로, 특히 회전체의 과도한 흔들림, 외부로부터의 진동에 대해 안정된 제어가 유지되는 자기베어 링 보호장치 및 터보분자펌프에 관한 것이다.

도 3은 종래의 5축 제어형 자기베어링을 갖는 터보분자펌프의 구성도를 도시한다. 자기베어링은 회전체를 자기 부상시켜, 비접촉식으로 회전체를 베어링 지지하는 것이다. 회전체의 고속회전이 가능하고, 고도의 청정 환경이 요구되는 장소에 사용이 적합하기 때문에, 반도체 제조에 관한 기술분야 등에서, 예컨대 터보분자펌프의 로터 블레이드의 베어링으로 이용되고 있다.

5축 제어형 자기베어링에는, 로터 블레이드(1)를 자기부상시키기 위해 반경방향 위치제어용 전자석(3A, 3B)과 축방향 위치제어용 전자석(5)이 사용되고 있다.

예컨대, 로터 블레이드(1)의 상측의 반경방향의 위치제어는 반경방향 위치센서(7A)에서 로터 블레이드(1)의 상측의 반경방향 위치를 검출하고, PID 조절기능을 갖는 보상회로(9A)를 통해 전류증폭기(11A)에서 전류 증폭한 후, 반경방향 위치제어용 전자석(3A)을 구동하는 것으로 능동적으로 행하지고 있다.

또, 로터 블레이드(1) 하측의 반경방향 위치제어 및 로터 블레이드(1)의 축방향의 위치제어에 관해 도시하지는 않지만 동일 실시 구성으로 제어되고 있다.

여기서, 로터 블레이드(1)를 고주파 모터(21)에 의해 가속하고, 로터 블레이드(1) 고유에 존재하는 공진점을 통과할 때에 일시적으로 진동을 발생하는 경우가 있다. 또, 지진 등의 외부에서의 진동이나, 터보분자펌프가 도시하지 않는 챔버로부터 흡기구(19)를 통해 챔버내의 가스를 배기하고 있을 때에, 어떠한 원인으로 급격히 가스(대기)를 도입하고, 진공상태에서 대기로 개방(이하, 대기 돌입이라 함)되어 로터 블레이드(1)가 요동하는 것이다.

이 대기 돌입시의 로터 블레이드(1)의 진동의 모습을 도 4에 도시한다. 이것은, 터보분자펌프 내에 내장되어 있는 축방향 위치센서의 출력으로 로터 블레이드(1)의 축방향의 거동을 기록한 것이다. 대기 돌입시, 로터 블레이드(1)는 순간적으로 배기구측으로 압력 강하되지만, 그 후 즉시 헬리콥터와 같은 공력적(aerodynamic) 추력에 의해 흡기구(19)측으로 압력 강하된다.

도 4에 도시하는 바와 같이, 이 로터 블레이드(1)의 진동은 대기 돌입에 의해 수 초(이 경우는 6초) 정도로 점차로 안정된다. 이와 같은 진동이 발생하는 경우에 로터 블레이드(1)는 보호 베어링(13, 15)에 접촉하고, 경우에 따라서는 보호 베어링(13, 15)에 마모나 손상 등의 우려가 있다.

이러한 상태에 있는 로터 블레이드(1)를 다시 정상 회전 위치까지 자기 부상시킬 때, 반경방향 위치제어용 전자석(3A, 3B)이나 축방향 위치제어용 전자석(5)에 흐르는 전류는 과도하고, 과전류 상태가 된다. 이 과전류에 의해 자기베어링용 코일은 과열된다. 이와 같이 걸리는 과열을 방지하기 위해, 종래에는 자기베어링 구동회로에 전류 리미터(17)를 설치하고, 자기베어링용 코일에 흐르는 전류값을, 예컨대 2[A]로 제한한 것이 있었다(특개평8-189527호 공보).

기술한 바와 같이, 종래의 터보분자펌프에는, 펌프의 운전상태에 관계없이 전류값이 항상 제한되어 있다. 이 때문에, 상술한 바와 같은 로터 블레이드(1)의 과대 진동이나 외부로부터 진동에 대해서는 자기베어링의 파워 부족을 발생하고, 회전날개(1)의 진동의 안정이 늦어지는 우려가 있었다. 그리고, 이 진동 안정의 늦음에 의해 보호 베어링(14, 15)에 부여되는 부하가 크게 증가한다.

본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 감안한 것으로서, 회전체의 과도한 진동과 외부로부터의 진동에 대해 안정된 제어가 행해지는 자기베어링 보호장치 및 터보분자펌프를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이를 위해 본 발명의 자기베어링 보호장치는, 회전체의 위치를 검출하는 위치센서와, 상기 회전체를 공중에 지지하고, 상기 위치센서에서 검출한 위치신호를 토대로 상기 회전체의 반경방향위치 또는 축방향위치를 제어할 수 있는 적어도 한 쌍의 제어용 전자석과, 이 제어용 전자석에 전류를 공급하는 전류공급수단과, 이 전류공급수단에 의해 상기 제어용 전자석에 흐르는 전류를 검출하는 제어용 전류검출수단과, 이 제어용 전자검출수단에서 검출되는 전류가 미리 정해진 전류설정치를 초과하는지 여부를 판정하는 전류이상판정수단과, 이 전류이상판정수단에서 판정이 상기 전류설정치를 초과할 때, 이 초과하고 있는 경과시간이 미리 정해진 시간 설정치를 초과하는지 여부를 판정하는 시간이상판정수단과, 이 시간이상판정수단에서 상기 경과 시간이 상기 시간설정치를 초과하였다고 판정될 때 상기 전류공급수단에 의해 상기 제어용 전자석으로의 전류 공급을 정지하는 정지수단을 구비하는 것으로 구성된다.

위치센서는 회전체의 위치를 검출한다. 이 위치 센서는 회전체의 반경방향 또는 축방향위치를 검출할 수 있다. 제어용 전자석은 회전체를 공중에 지지하고, 위치센서에서 검출된 위치신호를 토대로 회전체의 반경방향위치 또는 축방향위치를 제어할 수 있다.

제어용 전자석은, 예컨대 3축 제어형 자기베어링의 경우 한 쌍의 반경방향 위치제어용 전자석과 한쌍의 축방향 위치제어용 전자석으로 구성된다. 또, 5축 제어형 자기베어링의 경우는, 축방향으로 이격 배치된 두 쌍의 반경방향 위치제어용 전자석과 한 쌍의 축방향 위치제어용 전자석으로 구성된다.

변형예로서, 반경방향 위치제어용 전자석과 축방향 위치제어용 전자석의 일부를 영구자석으로 할 수 있다. 또한, 전동기 권선에 의해 발생된 자력이 반경방향 위치제어용 전자석에 의해 발생된 자력에 의해 불균형하게 되는 것으로 회전력을 발생하면서 반경방향 위치를 자기적으로 조정가능한 베어링리스 모터(bearingless motor) 등이어도 좋다.

전류공급수단은 제어용 전자석에 전류를 공급한다. 제어용 전류검출수단은, 전류공급수단에 의해 제어용 전자석에 흐르는 전류를 검출한다. 전류이상판정수단에는 이 제어전류검출수단에서 검출된 전류가 미리 정해진 전류설정치를 초과하는지 여부를 판정한다.

그리고, 시간이상판정수단은, 전류이상판정수단에서의 판정이 전류설정치를 초과할 때 이 초과하고 있는 경과시간이 미리 정해진 시간 설정치를 초과하는지 여부를 판정한다. 정지수단은 시간이상판정수단에서 경과시간이 시간설정치를 초과한다고 판정될 때, 전류공급수단에 의해 제어용 전자석으로 전류의 공급을 정지한다.

즉, 제어용 전자석에 흐르는 전류치가 일정 시간, 소정치에 계속해서 도달하는 경우 자기베어링을 정지시키고, 자기베어링을 보호한다. 그러나, 제어용 전자 석에 흐르는 전류치는 규제를 정하고 있지 않기 때문에 각종의 상정된 사안에 따라 회전체의 진동 등이 조기에 안정된다.

이 때문에, 자기베어링을 정지하기 이전 상황에는 여러 경우에 도달하지 않고 종료된다고 고려될 수 있다.

또, 회전체의 진동 등은 조기에 수속되기 때문에, 보호베어링에 부여되는 부하도 작게 된다.

또, 본 발명의 터보분자펌프는, 로터 블레이드와, 이 로터 블레이드를 회전시키는 회전수단과, 상기 회전날개의 위치를 검출하는 위치센서와, 상기 로터날개를 공중에 지지하고, 상기 위치센서에서 검출한 위치신호를 토대로 상기 로터 블레이드의 반경방향위치 또는 축방향위치를 제어할 수 있는 적어도 한 쌍의 제어용 전자석과, 이 제어용전자석에 전류를 공급하는 전류공급수단과, 이 전류공급수단에 의해 상기 제어용전자석에 흐르는 전류를 검출하는 제어용 전류검출수단과, 이 제어용전류검출수단에서 검출된 전류가 미리 정해진 전류설정치를 초과하는지 여부를 판정하는 이상판정수단과, 이 전류이상판정수단에서의 판정이 상기 전류설정치를 초과할 때, 이 초과하고 있는 경과시간이 미리 정해진 시간설정치를 초과하는지 여부를 판정하는 시간이상판정수단과, 이 시간이상판정수단에서 상기 경과 시간이 상기 시간설정치를 초과하였다고 판정될 때, 상기 전류공급수단에 의해 상기 제어용 전자석으로의 전류 공급을 정지하는 정지수단을 구비하는 것으로 구성된다.

본 발명은 청구항 1에 기재한 자기베어링 보호장치를 터보 분자 펌프에 적용한 것이다.

이상의 구조에 의해, 로터 블레이드의 과대한 진동이나 외부로부터의 진동에 대해 안정된 제어를 행할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 관해서 설명한다. 도 1에 본 발명의 실시 형태의 구성도를 도시한다. 또, 도 3과 동일 부품에 관해서는 동일 부호를 부여하고 그 설명은 생략한다.

도 1에 있어서, 종래 매설된 전류 리미터(17)는 설치되어 있지 않다. 도 1은 5축 제어형 자기베어링을 적용한 터보분자펌프이다. 단, 본 발명은 5축 제어형 자기베어링에 한정하는 것은 아니다. 또, 자기베어링을 적용한 다른 스핀들 모터 등에도 적용할 수 있다.

다음에, 본 발명의 실시 형태의 동작을 도 2의 플로워챠트를 토대로 설명한다.

도 2에 있어서, 반경방향 위치제어용 전자석(3A) 제어를 예로 이하에 설명하지만, 다른 반경방향 위치제어용 전자석(3B)이나 축방향 위치제어용 전자석(5)에서도 동일 구성 및 순서로 제어한다.

우선, 단계 1(이하, 도면에서 S1으로 간략히 한다)에서는 반경방향 위치제어용 전자석(3A)을 흐르는 전류를 검출한다. 단계 2에서 이 검출된 전류가 미리 설정된 전류수단치를 초과하는지 여부를 판정한다.

이 전류설정치는, 예컨대 종래예와 같이 전류 리미터(17)에 대해 2[A]의 제한을 설치하는 경우에는 전류설정치 4[A]로 한다. 단계 2의 처리는 전류이상판정 수단에 상당한다. 검출된 전류가 전류설정치 이하에 있을 때, 다시 단계 1로 복귀하고 반경방향 위치제어용 전자석(3A)을 흐르는 전류를 검출한다.

그리고, 단계 2의 판정에서 전류설정치를 초과할 때, 단계 3으로 진행한다. 단계 3에서는 이 전류설정치를 초과한 상태에서의 경과시간이 미리 정해진 시간 설정치를 초과하는지 여부를 판정한다. 이 시간설정치는, 예컨대 5초이다. 단계 3의 처리는 시간 이상 판정수단에 상당한다.

이 단계 3에서는 경과시간이 시간 설정치를 초과하였다고 판정될 때, 단계 4로 진행하고, 전류증폭기(11A)를 포함하는 모든 전류증폭기와 고주파모터(21) 등으로의 전류 공급을 오프한다.

전류설정치 4[A], 그리고 시간설정치 5초로 설정한 것은 전술의 전류리미터(17)에서 2[A]의 제한을 정하고 있는 터보분자펌프를 대상으로 한 때에 발열이 억제되는 수치이다. 또, 전류치를 제한하지 않고, 시간설정치를 5초로 설정한 것에 의해, 도 4에 도시하는 바와 같이, 대기 돌입시의 로터 블레이드(1)의 진동을 억제할 수 잇다. 이 때문에 보호베어링(13, 15)에 부여되는 영향도 적게 될 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 제어용 전자석을 흐르는 전류가, 전류설정치를 초과하고 있다고 판정될 때의 경과시간이, 미리 정해진 시간 설정치를 초과할 때, 제어용 전자석으로의 전류 공급을 정지하는 것으로 하여, 전류치를 제어하지 않기 때문에, 회전체의 과대 진동, 외부에서의 진동에 대해 반응 속도가 향상되고, 빨리 안정될 수 있다.

또, 보호 베어링에 부여되는 부하도 작게 된다.

Claims

자기베어링 보호장치에 있어서,

회전체의 위치를 검출하는 위치센서와,

상기 회전체를 공중에 지지하고, 상기 위치센서에서 검출한 위치신호를 토대로 상기 회전체의 반경방향위치와 축방향위치를 제어할 수 있는 적어도 한 쌍의 제어용 전자석과,

이 제어용 전자석에 전류를 공급하는 전류공급수단과,

이 전류공급수단에 의해 상기 제어용 전자석에 흐르는 전류를 검출하는 제어용 전류검출수단과,

이 제어용 검출수단에서 검출되는 전류가 미리 정해진 전류설정치를 초과하는 지 여부를 판정하는 전류이상판정수단과,

이 전류이상판정수단에서의 판정이 상기 전류설정치를 초과할 때, 이 초과하고 있는 경과 시간이 미리 정해진 시간 설정치를 초과하였는지 여부를 판정하는 시간 이상판정수단과, 이 시간이상판정수단에서 상기 경과 시간이 상기 시간설정치를 초과하였다고 판정될 때 상기 전류공급수단에 의해 상기 제어용 전자석으로의 전류 공급을 정지하는 정지수단를 구비하는 것을 특징으로 하는 자기베어링 보호장치.
터보분자펌프에 있어서,

로터 블레이드와,

이 로터 블레이드를 회전시키는 회전수단과,

상기 로터 블레이드의 위치를 검출하는 위치센서와,

상기 로터 블레이드를 공중에 지지하고, 상기 위치센서에서 검출한 위치 신호를 토대로 상기 로터 블레이드의 반경방향 위치 또는 축방향위치를 제어할 수 있는 적어도 한 쌍의 제어용 전자석과,

이 전류 검출수단에 전류를 공급하는 전류공급수단과,

이 전류공급수단에 의해 상기 제어용 전자석에 흐르는 전류를 검출하는 제어용 전류검출수단과,

이 제어용 전류검출수단에서 검출된 전류가 미리 정해진 전류 설정치를 초과하는지 여부를 판정하는 전류이상판정수단과,

이 전류이상판정수단에서의 판정이 상기 전류설정치를 초과할 때, 이 초과하고 있는 경과 시간이 미리 정해진 시간설정치를 초과하는지 여부를 판정하는 시간이상판정수단과,

이 시간이상판정수단에서 상기 경과 시간이 상기 시간설정치를 초과하였다고 판정될 때, 상기 전류공급수단에 의해 상기 제어용 전자석으로의 전류의 공급을 정지하는 정지수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 터보분자펌프.