KR100707235B1 - 자기 베어링식 진공펌프 - Google Patents

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비오씨 에드워즈 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 샤프트의 와전류의 발생을 억제하고, 샤프트의 발열이 소량인 효율이 양호한 자기 베어링식 진공펌프를 제공한다. 샤프트에서, 레이디얼 자기 베어링부를 구성하는 전자석의 타겟을 구성하는 전자석 타겟, 자기 베어링부의 인접한 샤프트의 변위를 검출하는 코일의 타겟을 구성하는 레이디얼 센서 타겟, 및 상기 전자석 타겟과 상기 레이디얼 센서 타겟 사이에서 칼라는 적층강판으로 구성되므로, 자기 베어링부에서 발생된 자기장에 기인하여 샤프트 상에 야기되는 와전류의 발생을 감소시킨다.

Description

자기 베어링식 진공펌프{MAGNETIC BEARING TYPE VACUUM PUMP}
도 1은 터보분자 펌프의 구조를 도시하는 단면도이다.
도 2는 자기 베어링부 및 터보분자 펌프의 부근을 도시하는 도면이다.
도 3은 자기 베어링부의 칼라의 확장도이다.
도 4는 종래의 자기 베어링부 및 터보분자 펌프의 부근을 도시하는 도면이다.
〈도면의 부호에 대한 간단한 설명〉
1 : 터보분자 펌프 8,12,20 : 자기 베어링부
9,13 : 레이디얼 센서 10 : 모터부
11 : 샤프트 14,15,30 : 전자석
16 : 케이싱 24 : 회전자
32 : 절연피막 33 : 적층강판
본 발명은 자기 베어링식 진공펌프, 예컨대, 반도체 제조 장치의 배기에 사 용되는 터보분자 펌프에 관한 것이다.
최근 산업 및 과학 기술의 급격한 발전에 의해, 고진공의 환경을 실현하는 진공 장치의 요구가 증가되고 있다.
이러한 이유 때문에, 각각의 용도에 적합하도록 다양한 진공펌프가 개발되고 있다. 이러한 진공펌프가 구비하는 다양한 성능, 즉, 단위 시간당 배기량, 도달되는 진공도, 및 진동의 억제 등과 같은 성능의 요구가 매년 심각하게 대두되고 있다.
자기 베어링식 터보분자 펌프는 이러한 다양한 성능을 만족시키며, 신뢰성이 높기 때문에, 반도체 제조 장치의 배기 및 과학 기술 연구용의 진공펌프의 배기에 다양하게 사용된다.
자기 베어링식 터보분자 펌프는 전자석을 이용하여 샤프트를 자기부상시키도록 설계되며, 비접촉 방식으로 샤프트를 유지한다. 그러므로, 베어링 부분에 윤활유가 요구되지 않으며, 따라서, 진공 장치의 내부에서 윤활유가 혼합될 염려가 없다. 또한, 마찰, 마모, 소음 등과 같은 문제점이 거의 없으며, 또한, 샤프트를 고속으로 회전시킬 수 있다.
이하, 자기 베어링식 터보분자 펌프의 구조에 대하여 간략하게 설명한다.
자기 베어링식 터보분자 펌프는 대략 원통형 케이싱, 고정자 및 케이싱에 제공된 회전자 등으로 구성된다.
케이싱의 내주면에는 케이싱의 중심 방향을 향해 연장하는 복수 개의 다단(multiple stage)으로 배열된 고정자 블레이드를 갖는 고정자가 형성된다.
케이싱의 중심축상에는 샤프트가 회전 가능하게 유지된다. 샤프트는 고정자에 고정된 자기 베어링에 의해 축상지지되므로, 샤프트의 대략 중앙부에 형성되는 모터부에 의해 고속회전이 가능하다.
케이싱의 일단부에 흡기구가 형성되고, 샤프트의 흡기구측 부분에 회전자가 부착된다.
회전자의 주변에 방사상으로 배열된 복수개의 회전자 블레이드는 다단으로 부착된다. 회전자 블레이드의 단 및 고정자 블레이드의 단은 교대로 위치된다.
샤프트가 모터에 의해 고속으로 회전될 때, 회전자 블레이드는 이 방향으로 회전된다. 회전자 블레이드가 회전될 때, 회전자 블레이드 및 고정자 블레이드의 작용에 의해, 터보분자 펌프는 흡기구를 통해 가스를 흡입하고, 케이싱에 형성된 배기구를 통해 가스를 배출한다.
도 4는 종래의 자기 베어링식 터보분자 펌프의 자기 베어링부, 샤프트, 및 외주부를 도시한다.
자기 베어링부는 샤프트(111)의 주변에 소정의 공차에 의해 4 개의 전자석(130)을 배치하여 구성된다.
전자석(130)은 서로 마주보도록 샤프트(111)의 주변에 90°의 각도간격으로 분배된다. 다른 한편, 샤프트의 전자석(130)과 마주하는 부분에는 전자석 타겟(129)이 형성된다. 전자석 타겟(129)은 표면이 절연된 링과 같은 강판을 샤프트(111)에 관통하여 고정되도록 구성된다.
전자석(130)은 자기력에 의해 전자석 타겟(129)을 끝어당기므로, 반경 방향 으로 샤프트(111)를 자기부상시키고, 비접촉 방식으로 유지한다.
전자석 타겟(129)을 구성하는 적층강판이 상호 절연되기 때문에, 전자석(130)에 의해 발생된 자기장에 의해 샤프트(111)의 표면상에 유도된 와전류는 복수개의 적층강판을 가로질러 흐를 수 없다.
이러한 이유로, 와전류의 손실, 와전류에 의해 샤프트(111)에 발생된 열 등이 억제될 수 있다.
자기 베어링부의 근방에는 샤프트(111)로부터 소정의 공차로 떨어진 레이디얼 센서의 코일(128)이 제공된다. 다른 한편, 코일(128)과 마주하는 샤프트(111)의 표면에는 적층강판으로 구성된 레이디얼 센서 타겟(136)이 형성된다.
코일(128)은 터보분자 펌프의 외부에 설치된 제어부에 형성된 발진회로의 일부분이다.
발진회로가 발진될 때, 진동에 의해 고주파 전류가 코일(128)을 관통하므로 코일(128)은 샤프트(111)상에 고주파 자기장을 발생시킨다.
코일(128)과 레이디얼 센서 타겟(136)사이의 거리가 변화된다면, 발진기의 발진진폭이 변화되고, 따라서, 샤프트(111)의 변위가 검출될 수 있다.
샤프트(111)의 레이디얼 센서 타겟(136)과 전자석 타겟(129)의 사이에 스테인레스강과 같은 금속으로 구성된 칼라(135)가 형성된다. 칼라(135) 및 전자석(130)은 인접하게 위치되기 때문에, 전자석(130)이 여자될 때, 발생되는 자기장(134) 또한, 칼라(135)를 투과할 수 있다.
그러나, 칼라(135)는, 예컨대 적층강판과 같은 와전류 방지 수단으로 만들어지지 않기 때문에, 칼라(135)는 자기장(134)에 의해 발생된 와전류에 의해 가열될 뿐만 아니라, 와전류의 손실에 기인하여 전력을 과소비한다. 또한, 칼라(135)에 와전류가 발생되면, 이 와전류는 샤프트(111) 상에 회전을 제동하는 방향으로 힘을 적용하게 한다.
따라서, 본 발명의 목적은 샤프트상의 와전류의 발생을 억제하여 샤프트의 발열이 소량이 되도록 효율이 양호한 자기 베어링식 진공펌프를 제공하는 것이다.
본 발명은, 상기 목적을 달성하기 위한 자기 베어링식 진공펌프에 있어서, 흡기구 및 배기구가 형성된 대략 원통형 케이싱, 상기 케이싱내에 형성된 고정자, 상기 고정자에 회전 가능하게 축 지지되는 샤프트, 상기 샤프트와 일체로 회전되는 샤프트에 부착된 회전자, 상기 샤프트를 구동시키고 회전시키는 모터, 상기 샤프트로부터 소정의 틈을 갖고 상기 샤프트의 소정부분의 주변에 배치된 복수개의 전자석, 및 상기 전자석과 마주하는 샤프트 부분에 형성된 전자석 타겟을 포함하는 자기 베어링부, 상기 자기 베어링부의 근방에 배치되고, 소정의 틈을 갖고 샤프트 주변에 배치된 레이디얼 센서 및 상기 레이디얼 센서와 마주하는 샤프트 부분에 형성된 레이디얼 센서 타겟을 포함하는 레이디얼 센서부, 및 트러스트 방향으로 상기 샤프트를 지지하기 위한 트러스트 베어링 부분을 구비하고, 상기 전자석 타겟과 레이디얼 센서 타겟의 사이의 샤프트 상에 절연재를 개재하여 적층된 적층강판이 형성되는 것을 특징으로 하는 자기 베어링식 진공펌프가 제공된다(제1 구성).
제1 구성에 있어서, 상기 적층강판 부분은 샤프트의 축방향으로 적층된 강판 을 포함할 수 있다(제2 구성).
제1 구성 또는 제2 구성에 있어서, 상기 전자석 타겟 및 상기 레이디얼 센서 타겟은 적층강판으로 형성되고, 상기 적층강판 부분은 전자석 타겟과 레이디얼 센서 타겟에 일체로 형성될 수 있다(제3 구성).
또한, 제1 구성 내지 제3 구성 중의 어느 하나에 있어서, 상기 강판은 실리콘 강판을 포함할 수 있다(제4 구성).
또한, 제1 구성 내지 제4 구성 중의 어느 하나에 있어서, 상기 자기 베어링 펌프는 회전자상에 회전자 블레이드 및 고정자상에 고정자 블레이드를 가지는 터보분자 펌프, 회전자 및 고정자 중의 어느 하나에 나사홈이 형성된 나사홈식 펌프 또는 흡기구측에 터보분자 펌프를 갖고, 배기구측에 나사홈식 펌프를 가지는 자기 베어링식 진공펌프로 구성될 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도 1 내지 도 3을 참조로 하여 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예에서, 본 발명은 자기 베어링식 진공펌프의 일례로서 분자펌프를 이용하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 터보분자 펌프(1)를 도시하며, 샤프트(11)의 축방향으로 본 단면도이다.
또한, 도 1에 도시되지는 않았지만, 예컨대, 터보분자 펌프(1)의 흡기구(6)는 컨덕턴스 밸브(배기 가스의 컨덕턴스, 즉, 유동성을 조절하기 위해 파이프의 유동통로(3)의 단면적을 변화시키는 밸브)를 통해 반도체 제조 장치와 같은 진공장치 에 연결되고, 배기구(19)는 보조 펌프에 연결된다.
터보분자 펌프(1)의 외장체를 형성하는 케이싱(16)은 원통형상이며, 샤프트(11)는 케이싱의 중심에 설치된다. 케이싱(16)은 후술되는 베이스(27)와 공동으로 터보분자 펌프(1)의 외장체를 형성한다.
자기 베어링부(8, 12, 20)는 각각 축방향으로 샤프트(11)의 상부, 하부 및 저부에 제공된다. 샤프트(11)는 반경 방향(샤프트(11)의 반경 방향)으로 자기 베어링부(8, 12)에 의해 비접촉 방식으로 지지되고, 자기 베어링부(20)에 의해 트러스트 방향(샤프트(11)의 축방향)으로 비접촉 방식으로 지지된다. 이들 자기 베어링부는 소위 5축 제어형 자기 베어링을 구성하며, 샤프트(11)는 축에 대한 회전의 자유도만 가진다.
자기 베어링부(8)는 예컨대, 4개의 전자석이 샤프트(11) 주변에 90°의 각도간격으로 서로 마주하도록 배치되어 구성된다.
샤프트(11)의 자기 베어링부(8)로부터 레이디얼 센서(9)로 연장하는 부분상에, 하기에 설명되는 타겟(4)이 형성되므로, 자기 베어링부(8)의 전자석의 자기력에 의해 샤프트(11)가 끌려온다.
타겟(4)은 표면이 절연코팅된 다수의 강판을 샤프트(11)의 축방향으로 서로 적층한 적층강판으로 형성된다. 이 구조는 자기 베어링부(12)의 전자석의 자기장에 기인하여 샤프트(11)의 표면상에서 발생된 와전류를 억제하도록 제공된다. 이 구조에 대해 하기에 상세히 설명한다.
와전류는 금속을 투과하는 자력선이 금속에 대하여 상대적으로 운동될 때, 전자기 유도의 법칙과 일치하여 금속에서 발생된 나선전류를 의미한다.
레이디얼 센서(9)는 사프트의 반경 방향의 변위를 검출하기 위한 요소이며, 예컨대, 코일로 구성된다.
이 코일은 터보분자 펌프(1)의 외부에 설치된 도시되지 않은 제어부분에 형성된 발진회로의 일부이다. 레이디얼 센서(9)에는 발진회로의 발진에 의해 고주파전류가 흐르므로, 레이디얼 센서(9)는 샤프트(11)상에 고주파 자기장을 발생시킨다.
레이디얼 센서와 타겟(4)사이의 거리가 변화될 때, 발진기의 발진진폭은 변화되고, 이에 의해 샤프트(11)의 변위가 검출된다.
샤프트(11)의 변위를 검출하는 센서로서, 캐패시티형 센서 및 광학형 센서와 같은 다른 형태도 가능하다.
제어 부분이 레이디얼 센서(9)로부터의 신호에 기초하여 반경 방향에서의 샤프트(11)의 변위를 검출할 때, 제어 부분은 자기 베어링부(8) 각각의 전자석의 자기력을 조절하므로, 샤프트(11)를 소정의 위치로 복귀시킨다.
이러한 방식으로, 제어 부분은 레이디얼 센서(9)로부터의 신호에 기초하여 자기 베어링부(8)를 피드백 제어한다. 이것은 샤프트(11)가 자기 베어링부(8)를 이용하여 전자석으로부터 소정의 공차에 의해 반경 방향으로 자기부상하는 것을 가능하게 하며, 비접촉 방식으로 공간을 유지한다.
자기 베어링부(12)의 구성 및 작용은 자기 베어링부(8)와 동일하다.
자기 베어링부(12)는 예컨대, 샤프트(11)의 주변에 90°의 각도간격으로 4 개의 전자석을 배치하여 구성된다.
샤프트(11)의 자기 베어링부(12)로부터 레이디얼 센서(13)로 연장한 부분은 적층강판으로 구성된 타겟(3)내에 형성되므로, 자기 베어링부(12)의 전자석의 자기력에 의해 샤프트(11)가 끌려온다.
자기 베어링부(12)의 전자석의 인력에 의해, 샤프트(11)는 비접촉 방식으로 자기 베어링부(12)에 의해 반경 방향으로 지지된다.
레이디얼 센서(13)는 샤프트(11)의 반경 방향의 변위를 검출한다.
제어 부분은 레이디얼 센서(13)를 이용하여 샤프트(11)의 변위를 검출하며, 소정의 위치에 샤프트(11)를 유지하도록 전자석의 여자전류에 대한 피드백 제어를 실행한다.
이는 자기 베어링부(12)를 이용하여 반경 방향으로 샤프트(11)를 자기부상하고, 비접촉 방식으로 공간을 유지하는 것을 가능하게 한다.
샤프트(11)의 저단에 제공된 자기 베어링부(20)는 원판형 금속 디스크(26), 전자석(14, 15) 및 트러스트 센서(17)로 구성된다.
금속 디스크(26)는 철과 같은 고투자율재료로 구성되며, 축(11)의 중심에 수직하게 고정된다. 전자석(14)은 금속 디스크(26)의 위에 설치되고, 전자석(15)은 금속 디스크(26)의 아래에 설치된다. 전자석(14)은 자기력을 통해 금속 디스크(26)를 상방으로 끌어당기고, 전자석(15)은 금속 디스크(26)를 하방으로 끌어당긴다.
전자석(14, 15)에 의해 금속 디스크(26)에 적용된 자기력이 적절히 조절될 때, 샤프트(11)는 트러스트 방향으로 자기부상될 수 있고, 비접촉 방식으로 공간에 유지될 수 있다.
트러스트 센서(17)는 예컨대, 트러스트 방향에서 샤프트(11)의 변위를 검출하고, 도시되지 않은 제어 부분으로 검출 신호를 송신하는 레이디얼 센서(9, 13)와 유사한 코일로 구성된다.
제어 부분은 레이디얼 센서(13)로부터 수신된 신호를 수용하자마자 트러스트 방향으로 샤프트(11)의 변위를 검출할 수 있다.
샤프트(11)가 소정의 위치로부터 배치되도록 트러스트 방향의 상방 또는 하방으로 이동될 때, 제어 부분은 이 변위를 보정하고, 소정의 위치에 샤프트(11)를 복귀하기 위하여 전자석(14, 15)에 여자전류를 조절한다.
이 피드백 제어하에서, 제어 부분은 트러스트 방향으로 샤프트를 유지하기 위해 소정의 위치에 샤프트(11)를 자기부상할 수 있다.
상술한 것과 같이, 샤프트(11)는 자기 베어링부(8, 12)에 의해 반경 방향으로 지지되며, 자기 베어링부(20)에 의해 트러스트 방향으로 지지되고, 이에 의해, 축에 대해 회전된다.
샤프트(11)의 자기 베어링부(8, 12) 사이의 중간에 모터부(10)가 형성된다.
본 실시예에서는, 모터부(10)의 일례로서 DC 브러시레스 모터가 채택된다.
샤프트(11)의 모터부(10)를 구성하는 부위의 주변에 영구 자석이 고정된다. 이 영구 자석은, 예컨대, 샤프트(11)의 주변에 N극 및 S극이 180°의 각도간격으로 배치되는 것과 같이 고정된다. 예컨대, 6개의 전자석은 샤프트(11)의 축에 대해 대칭이 되고, 서로 마주하도록 샤프트(11)로부터 소정의 공차에 의해 이 영구 자석 주변에 60°의 각도간격으로 배치된다.
다른 한편으로, 터보분자 펌프(1)에는 샤프트(11)의 회전 주파수 및 회전 각도(위상)를 검출하는 도시되지 않은 센서가 제공되며, 그것에 의하여, 제어 부분은 샤프트(11)에 고정된 영구 자석의 자극의 위치를 검출할 수 있다.
제어 부분은 자기 극의 검출된 위치에 따라 모터부(10)의 전자석으로 전류를 연속적으로 변환하며, 이에 의해 샤프트(11)의 영구 자석 주변에 회전 자기장을 발생시킨다.
샤프트(11)에 고정된 영구 자석은 이 회전 자기장을 따르며, 따라서, 샤프트(11)는 회전된다.
샤프트(11)의 상단부에 회전자(24)가 복수의 볼트(25)에 의해 부착된다.
본 실시예의 터보분자 펌프(1)는 일례로서, 회전자(24)의 대략 중간으로부터 흡기구(6)측, 즉, 도면의 대략 상반부에는 회전자 블레이드 및 고정자 블레이드를 포함하는 분자 펌프 부분(이하, 터보분자 펌프 부분으로 언급함)으로 구성되며, 도면의 대략 하반부에는 나사홈식 펌프의 형태의 분자 펌프 부분(이하, 나사홈 펌프 부분으로 언급함)으로 구성된다. 터보분자 펌프의 구조는 이것으로 한정되지는 않으며, 흡기구(6)측으로부터 배기구(19)측으로 회전자 블레이드 및 고정자 블레이드로 구성된 분자 펌프 또는 나사홈 또는 다른 구조를 갖는 분자 펌프가 사용될 수 있다.
회전자(24)의 흡기구(6)측에 배치된 터보분자 펌프 부분에서, 알루미늄 합금 등으로 만들어진 회전자 블레이드(21)는 샤프트(11)의 축에 수직한 평면에 대하여 소정의 각도로 경사지며, 회전자(24)로부터 방사상으로 연장한 복수의 단에 부착된다. 회전자 블레이드(21)는 샤프트(11)와 함께 고속으로 회전되도록 회전자(24)에 고정된다.
케이싱(16)의 흡기구측에, 알루미늄 합금 등으로 만들어진 고정자 블레이드(22)는 샤프트(11)의 축에 수직한 평면에 대하여 소정의 각도로 경사지며, 케이싱(16)의 내측방향으로 회전자 블레이드(21)의 단에 대하여 상호 선택적으로 배열되도록 배치된다.
스페이서(23)는 알루미늄, 철 및 스테인레스강과 같은 금속으로 만들어진 링형 부재이다.
각각의 스페이서(23)는 고정자 블레이드(22)를 소정의 위치에 유지되도록 고정자 블레이드(22)에 형성된 각각의 단 사이에 형성된다.
회전자(24)가 샤프트(11)와 함께 회전되도록 모터부(10)에 의해 구동될 때, 회전자 블레이드(21) 및 고정자 블레이드(22)의 작용에 의해 흡기부(6)를 통해 배기 가스가 흡입된다.
흡기구(6)를 통해 흡입된 배기 가스는 나사홈 펌프 부분에 공급되도록 회전자 블레이드(21)와 고정자 블레이드(22)사이의 틈으로 통과된다.
나사홈 펌프 부분은 회전자(24) 및 나사홈 스페이서(5)로 구성된다.
나사홈 스페이서(5)는 알루미늄, 스테인레스강 및 철과 같은 금속으로 만들어진 원통형 부재이며, 부재의 내주면에 복수 개의 나선 나사홈(7)이 복수의 세트 로 형성된다.
나사홈(7)의 나선 방향은 분자가 회전자(24)의 회전 방향으로 이동될 때, 배기 가스의 분자가 배기구(19)를 향해 운반되는 방향이다.
회전자(24)의 외주면은 나사홈 펌프 부분에 원통형으로 형성된다.
또한, 회전자(24)의 외주면은 소정의 공차에 의해 나사홈 스페이서(5)의 내주면에 인접하도록 나사홈 스페이서(5)의 내주면을 향해 돌출된다.
회전자(24)가 모터부(10)에 의해 회전되도록 구동될 때, 터보분자 펌프 부분으로부터 공급된 배기 가스는 배기구(19)를 향해 운반되는 나사홈(7)에 의해 안내된다.
본 발명에서, 나사홈(7)이 형성된 나사홈 스페이서가 고정자 측에 배치되고, 회전자(24)의 외주면이 원통형으로 형성될지라도, 역으로, 나사홈이 고정자의 외주면에 형성될 수 있고, 원통형 내주면을 갖는 스페이서가 외주면 주변에 배치될 수 있다.
베이스(27)는 터보분자 펌프(1)의 기저부를 구성하는 디스크와 같은 부재이며, 스테인레스강, 알루미늄 및 철과 같은 금속으로 만들어진다.
케이싱(16)은 베이스(27)의 외주면의 상단부에 결합되며, 나사홈 스페이서(5)가 그 내부에 배치된다. 중심부에는, 자기 베어링부(8, 12, 20) 및 모터부(10)와 같은 샤프트(11)를 지지하는 기구가 설치된다.
냉각수를 순환시키는 수냉관(18)은 수냉관(18)과 베이스(27)사이에서 열교환이 효율적으로 전도되도록 베이스(27)의 저부에 부착된다. 베이스(27)에 도달된 열은 수냉관(18) 내부를 순환하는 냉각수에 의해 터보분자 펌프의 외부로 효율적으로 방출될 수 있으며, 이에 의해, 터보분자 펌프(1)가 허용 온도 이상으로 가열되는 것을 방지한다.
수냉관(18)은 도시되지 않은 물 공급 펌프 및 도시되지 않은 열교환기와 공동으로 수냉 시스템을 구성한다. 물 공급 펌프의 작용에 의해, 수냉관(18) 내의 냉각수는 수냉 시스템에서 순환된다.
또한, 베이스(27)의 열교환에 의해 얻어진 열은 열교환기에 의해 대기와 같은 수냉 시스템의 외부로 방출된다.
그 결과, 냉각수는 냉각되며, 물 공급 펌프에 의해 터보분자 펌프(1)로 다시 공급된다.
도 2는 자기 베어링부(8) 및 베어링 부분의 주위부분을 상세히 도시하는 도면이다.
자기 베어링부(8)의 전자석(30) 및 레이디얼 센서(9)를 구성하는 코일(28)은 샤프트(11)로부터 소정의 공차로 배치된다.
샤프트(11)상의 영역에서, 자기 베어링부(8)로부터 레이디얼 센서(9)까지의 범위에 적층강판으로 구성된 타겟 부분(4)이 형성된다.
타겟(4)은 전자석과 마주하는 전자석 타겟(29), 코일과 마주하는 레이디얼 센서 타겟(36) 및 전자석 타겟(29)과 레이디얼 센서 타겟(36)사이에 위치한 칼라(35)로 구성된다.
또한, 전자석 타겟(29), 칼라(35) 및 레이디얼 센서 타겟(36)은 적층강판에 일체로 형성된다.
타겟(4)상에 적층된 각각의 강판은 표면이 절연 코팅되어 형성된 링형상의 강제박판(鋼製薄板)이다.
타겟(4)이 형성된 샤프트(11)의 부분의 외경은 강판의 내경과 대략 동일하게 설정되어 있다. 강판의 링은 수축 피트(fit)에 의해 샤프트(11)에 고정된다.
즉, 강판의 장착시, 내경이 증가하도록 강판이 가열되고, 곧이어, 샤프트에 장착되고, 그후에, 내경이 감소하도록 강판이 냉각되며, 이에 의해, 샤프트(11) 및 강판 간섭 피트를 만들고, 샤프트(11) 위에 강판을 고정한다.
전술한 것과 같이, 강판은 샤프트(11)의 축방향으로 적층된다. 이들 강판에 의해 형성된 층은 강판의 표면에 형성된 절연피막의 존재 때문에 층간저항이 높다.
여자전류가 공급될 때, 전자석(30)은 자기장(34)을 발생시킨다. 자기장(34)은 샤프트(11)에 투과되며, 전자기유도법칙에 따라 샤프트(11)의 표면에 와전류를 유도한다.
그러나, 타겟(4)을 구성하는 적층강판이 절연피막에 의해 다른 것으로부터 절연되기 때문에, 층간방향으로 와전류가 흐르지 않는다. 이러한 이유 때문에, 와전류의 발생에 기인한 샤프트 상에 발생된 열 및 와전류 손실에 기인한 전력의 손실을 감소시킬 수 있다.
또한, 본 실시예에서, 칼라(35)는 또한, 적층강판으로 구성되기 때문에, 전자석(30)의 자기장에 기인하여 칼라(35)에 종래 발생된 와전류를 억제할 수 있다.
전자석(30)에 의해 발생된 자기장과 비교하여 코일(28)에 의해 발생된 자기 장은 작으므로, 도시하지 않는다.
도 3은 칼라(35)의 표면을 확대 방식으로 도시한 도면이다.
강판(33)은 강판사이에 개재된 절연피막(32)에 의해 적층된다. 지면의 상하방향은 샤프트(11)의 축방향에 상응한다.
강판(33)은 예컨대, 실리콘 4%를 함유하는 0.35mm 두께의 실리콘강판이다. 강판(33)의 표면에서, 인접한 적층강판(33)은 상호 절연되도록 절연피막(32)으로 형성된다. 강판(33)은 변압기의 철심으로 일반적으로 이용되는 실리콘 강판 재료와 동일한 종류이다.
칼라(35)에서, 전자석(30) 및 코일(28)에 의해 발생된 자기장의 영향에 기인하여 와전류(31)가 발생된다.
적층강판(33)이 절연피막(32)에 의해 서로 절연되기 때문에, 각각의 적층강판(33)에서 와전류가 발생한다. 따라서, 강판(33)에 걸쳐 큰 와전류가 발생하지 않는다.
강판(33)이 상호 인접하게 위치되기 때문에, 인접한 강판에 스며드는 자력선은 대략 서로 동일하게 된다. 이러한 이유 때문에, 인접한 강판(33) 내에서 발생된 와전류(31)는 대략 방향 및 크기가 동일하다.
그러므로, 두 개의 적층강판(33)사이의 인접한 영역(34)에서, 절연피막(32)을 따라 발생된 와전류(31)의 부분은, 인접한 강판(33)에서, 상기 언급한 전류에 대해 동일한 전류값 및 대향 전류의 방향을 가지며, 따라서, 서로 인접한 영역(34)에 의해 와전류가 상쇄된다.
이러한 이유 때문에, 전체적으로 칼라(35)에서, 샤프트(11) 축방향으로 발생된 와전류가 상쇄된다.
일반적으로, 금속에 발생된 와전류는 금속에 스며드는 자력선의 변화를 방지하도록 발생한다. 그러므로, 샤프트(11)에 와전류가 발생되면, 샤프트(11)의 제동을 작용하는 힘이 발생된다.
또한, 와전류가 샤프트(11)에서 발생되면, 샤프트(11)에 있는 전기 저항에 기인하여 열이 발생된다. 그러므로, 샤프트에 열이 발생되며, 동시에, 터보분자 펌프(1)에 공급된 전력은 샤프트(11)의 발열에 소비된다.
그러므로, 칼라(35)를 적층강판으로 구성하여 칼라(35)에 발생되는 와전류를 억제하므로, 칼라(35)에 발생하는 제동력, 발열 및 전력손실을 억제할 수 있다.
또한, 적층강판을 이용하여 칼라(35)를 형성하므로, 제조비를 감소할 수 있다.
종래, 전자석 타겟(29) 및 레이디얼 센서(36)는 적층강판에 의해 형성되며, 칼라(35)는 스테인레스강과 같은 금속으로 구성된다.
대조적으로, 본 실시예에서, 전자석 타겟(29), 칼라(35) 및 레이디얼 센서 타겟(36)은 적층강판에 의해 일체로 형성된다. 이러한 이유 때문에, 단순한 구조를 만들 수 있고, 부품의 종류가 감소될 수 있고, 이에 의해, 제조비를 낮출 수 있다.
이상, 자기 베어링부(8) 및 레이디얼 센서(9)에 대응하는 타겟(4)에 대해 설명하였다. 자기 베어링부(12) 및 레이디얼 센서(13)에 대응하는 부분에 형성된 타 겟(3)의 구성은 타겟(4)의 구성과 동일하다. 즉, 타겟(3)은 자기 베어링부(12)로부터 레이디얼 센서(13)로의 부분에 상응하는 일체물의 적층강판에 의해 구성된다.
본 실시예에서, 강판의 링이 수축 피트에 의해 샤프트(11)에 체결될지라도, 샤프트(11)를 체결하는 방법은 이것으로 한정되지 않고, 샤프트(11)의 축방향으로 체결력을 부가하도록 배치되는 볼트에 의해 적층강판이 고정될 수 있다.
상술한 구조로 된 터보분자 펌프(1)는 하기와 같이 작동된다.
먼저, 자기 베어링부(8, 12, 20)는 회전자 샤프트(11)를 자기부상하도록 구동된다.
샤프트(11)의 반경 방향으로의 변위는 레이디얼 센서(9, 13)에 의해 검출되며, 샤프트(11)의 트러스트 방향으로의 변위는 트러스트 센서(17)에 의해 검출된다. 도시되지 않은 제어부분은 소정의 위치에 샤프트(11)를 지지하기 위한 샤프트(11)의 검출된 변위를 기초로 하여 자기 베어링부(8, 12, 20)의 전자석에 공급된 여기전류의 피드백 제어를 실행한다.
다음으로, 제어 부분은 샤프트(11), 회전자(24) 및 회전자 블레이드(21)를 고속으로 회전시키기 위해 모터(10)를 구동한다.
따라서, 회전자 블레이드(21) 및 고정자 블레이드(22)의 작용에 의해, 공정 가스가 흡기구(6)를 통해 터보분자 펌프부로 흡입된다.
터보분자 펌프부로 흡입된 공정 가스는 나사홈 펌프부에 공급된다.
나사홈 펌프부에 공급된 공정 가스는 배기구(19)를 통해 터보분자 펌프(1)의 외부로 배출되도록 회전자(24)의 회전에 의해 나사홈(7)을 따라 운반된다.
터보분자 펌프(1)의 활성화 중에, 제어 부분은 샤프트(11)를 작동하는 자기 베어링부(8, 12 20)의 자기력을 조절하도록 레이디얼 센서(9, 13) 및 트러스트 센서(17)를 이용하여 샤프트(11)의 변위를 검출한다.
이 때, 타겟(3, 4)에 스며든 자력선이 변화되지만, 타겟(3, 4)이 상호 절연된 적층강판으로 구성되기 때문에, 자기 베어링부(8, 12)에 의한 와전류의 발생이 억제된다. 따라서, 터보분자 펌프(1)의 활성화 중에, 와전류를 일으키는 칼라를 포함하는 타겟(3, 4)의 발열, 제동력 및 전력손실 등의 발생이 최소 수준으로 억제될 수 있다.
상술한 것과 같이, 본 발명에 따른 터보분자 펌프(1)에서, 칼라를 포함하는 각각의 타겟(3, 4)은 적층강판의 일체물로 형성된다. 그러므로, 샤프트(11)에 스며든, 자기 베어링(8, 12) 및 레이디얼 센서(9, 13)에 의해 발생된, 자기장에 의해 야기된 와전류를 억제하는 것이 가능하고, 이에 의해 와전류로부터 유래한 샤프트의 발열, 제동력 및 전력 손실의 발생을 감소시킬 수 있다.
또한, 타겟(3, 4)의 제조비용은 종래의 제품과 비교하여 저가일 수 있다.
본 실시예에서, 터보분자 펌프(1)가 터보분자 펌프부 및 나사홈 펌프를 포함하는 터보분자 펌프로 구성될지라도, 본 발명은 이것에 제한되지는 않는다. 본 발명은 나사홈 펌프부를 갖지 않고 터보분자 펌프부로 구성된 터보분자 펌프와 같은, 자기 베어링에 의해 샤프트가 지지되는 타겟을 적용할 수 있다.
본 발명에 따라, 와전류에 기인한 샤프트의 과열이 작고 와전류에 기인한 전력손실이 감소되는 자기 베어링식 진공펌프를 제공하는 것이 가능하다.

Claims (5)

  1. 자기 베어링식 진공펌프에 있어서,
    흡기구 및 배기구가 형성된 원통형 케이싱,
    상기 케이싱 내에 형성된 고정자,
    상기 고정자에 의해 회전 가능하도록 축 지지되어 있는 샤프트,
    상기 샤프트와 일체로 회전되도록 상기 샤프트에 부착된 회전자,
    상기 샤프트를 구동시키고 회전시키는 모터,
    상기 샤프트로부터 소정의 틈을 갖고 상기 샤프트의 소정부분의 주변에 배치되는 복수개의 전자석, 및 상기 전자석과 마주하는 상기 샤프트 부분에 형성된 전자석 타겟을 포함하는 자기 베어링부,
    상기 자기 베어링부의 근방에 배치되고, 소정의 틈을 갖고 상기 샤프트 주변에 배치된 레이디얼 센서 및 상기 레이디얼 센서와 마주하는 상기 샤프트 부분에 형성된 레이디얼 센서 타겟을 포함하는 레이디얼 센서부, 및
    트러스트 방향으로 상기 샤프트를 지지하기 위한 트러스트 베어링 부분을 구비하고,
    상기 전자석 타겟과 상기 레이디얼 센서 타겟 사이의 상기 샤프트 상에 절연재를 개재하여 적층된 적층강판이 형성되는 것을 특징으로 하는 자기 베어링식 진공펌프.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적층강판은 상기 샤프트의 축방향으로 적층된 강판을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 베어링식 진공펌프.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전자석 타겟 및 상기 레이디얼 센서 타겟은 적층강판으로 형성되고, 상기 적층강판은 상기 전자석 타겟과 상기 레이디얼 센서 타겟에 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 자기 베어링식 진공펌프.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 강판은 실리콘 강판을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 베어링식 진공펌프.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 자기 베어링 펌프는 상기 회전자 상에 회전자 블레이드 및 상기 고정자 상에 고정자 블레이드를 가지는 터보분자 펌프, 상기 회전자 및 고정자 중의 어느 하나에 나사홈이 형성된 나사홈식 펌프, 또는 상기 흡기구측에 상기 터보분자 펌프를 갖고, 상기 배기구측에 상기 나사홈식 펌프를 가지는 자기 베어링식 진공 펌프로 구성되는 것을 특징으로 하는 자기 베어링식 진공펌프.
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