KR102222453B1 - 진공펌프 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 1형태에 따른 진공펌프는 펌프 본체와, 제1 온도센서와, 모터와, 제어 유닛을 구비한다. 상기 펌프 본체는 회전축과, 금속제의 케이싱부를 갖는다. 상기 제1 온도센서는 상기 케이싱부에 장착되고, 상기 케이싱부의 온도를 검출한다. 상기 모터는 영구자석을 포함해서 상기 회전축에 장착된 로터 코어와, 복수의 코일을 가지는 스테이터 코어와, 상기 로터 코어를 수용하는 캔을 갖는다. 상기 제어 유닛은 구동회로와, 보정회로를 갖는다. 상기 구동회로는 미리 설정된 유기전압 정수를 기초로 상기 모터를 회전시키는 구동 신호를 상기 복수의 코일로 공급한다. 상기 보정회로는,상기 제1 온도센서의 출력에 의거하여 상기 유기전압 정수를 보정한다.

Description

진공펌프 및 그 제어방법

본 발명은 영구자석 동기 모터를 구비한 진공펌프 및 그 제어방법에 관한 것이다.

매커니컬 부스터 펌프는 케이싱 내부의 펌프실에 배치된 2개의 커쿤(cocoon) 타입 펌프로터를 서로 반대 방향으로 동기 회전시켜서 흡기구로부터 배기구로 기체를 이송하는 용적 이송형의 진공펌프이다. 매커니컬 부스터 펌프는 양 펌프로터 사이 및 각 펌프로터와 케이싱 사이에서의 접촉이 없기 때문, 기계적 손실이 매우 적고, 예를 들면 기름 회전 진공 펌프와 같은 마찰일이 큰 진공펌프에 비해서 구동에 필요로 하는 에너지를 적게 할 수 있다는 이점을 갖는다.

매커니컬 부스터 펌프는 전형적으로는 보조펌프와 함께 진공 배기계를 구성하고, 보조펌프인 정도까지 압력을 내린 후에 운전을 개시한아서 배기 속도를 증폭시키기 위해서 사용된다.

이 종류의 진공펌프에서는 각 펌프 로터를 회전시키는 구동원으로서 캔드 모터가 널리 사용되고 있다. 캔드 모터는 로터 코어와 스테이터 코어 사이의 틈새에 삽입된 원통상의 캔을 갖는다. 로터 코어는 캔에 의해 밀봉되기 때문에, 베어링부를 통해서 로터 코어 내로 침입한 기체의 대기(외기)측으로의 누출이 방지된다. 예를 들면 특허문헌 1에는 영구자석 동기형의 캔드 모터가 개시되어 있다.

한편, 영구자석 동기 모터에서는 로터 코어에 고정된 영구자석이 온도 특성을 가지기 때문에, 온도변화에 따른 영구자석의 자속량의 변화가 모터 제어나 펌프 성능에 큰 영향을 끼치는 경우가 있다. 예를 들면, 고부하에 의해 모터 온도가 고온이 되면, 영구자석의 자속량의 감소에 의해 모터가 탈조되어 소망하는 펌프 성능이 수득되지 않게 된다.

또, 가령 정격 동력으로 안정되는 온도에서 발휘되는 자속을 상정했다고 해도, 시동 시부터 안정온도가 될 때까지는 펌프 성능이 유지되지 않는다.

이러한 문제를 해소하기 위해서, 예를 들면 특허문헌 2에는 영구자석 전동기의 하우징부에 장착된 온도 검출기로 인버터 내부의 온도를 검출하고, 온도 검출기에 의해 검출된 온도로부터 영구자석의 온도를 추정하고, 추정된 온도에 의거해서 전동기를 제어하기 위한 제어정수를 보정하는 펌프 장치가 제안되고 있다.

일본 공개특허공보 2008-295222호 일본 공개특허공보 2016-111793호

특허문헌 2에 기재된 펌프 장치에서는 전동기의 하우징부의 온도를 기초로 영구자석의 온도를 추정하고 있다. 그렇지만, 상기 하우징부의 온도 특성이 로터 코어의 영구자석 온도 특성과 다르기 때문에 전동기의 적절한 회전 수 제어를 실현시키는 것이 곤란하다.

이상과 같은 사정을 감안하여, 본 발명의 목적은 열변동이 발생했다고 해도 펌프 성능을 안정되게 유지할 수 있는 진공펌프 및 그 제어방법을 제공하는 것에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 1형태에 따른 진공펌프는 펌프 본체와, 제1 온도센서와, 모터와, 제어 유닛을 구비한다.

상기 펌프 본체는 회전축과, 금속제의 케이싱부를 갖는다.

상기 제1 온도센서는 상기 케이싱부에 장착되고, 상기 케이싱부의 온도를 검출한다.

상기 모터는 영구자석을 포함해서 상기 회전축에 장착된 로터 코어와, 복수의 코일을 가지는 스테이터 코어와, 상기 로터 코어를 수용하는 캔을 갖는다.

상기 제어 유닛은 구동회로와, 보정회로를 갖는다. 상기 구동회로는 미리 설정된 유기전압 정수를 기초로 상기 모터를 회전시키는 구동 신호를 상기 복수의 코일로 공급한다. 상기 보정회로는 상기 제1 온도센서의 출력에 의거하여 상기 유기전압 정수를 보정한다.

상기 진공펌프에 의하면, 제1 온도센서가 로터 코어의 영구자석과 동일한 열 시정수를 가지도록 구성된 펌프 본체의 케이싱부의 온도를 검출하도록 구성되어 있기 때문에, 영구자석의 온도 추정 정도를 높일 수 있다. 이것에 의해, 열변동이 발생했다고 해도, 유기전압 정수의 최적화를 도모할 수 있기 때문에 펌프 성능을 안정되게 유지할 수 있다.

상기 보정회로는 전형적으로는 상기 케이싱부의 온도가 소정의 온도범위인 경우에는 상기 케이싱부의 온도가 높을수록 상기 모터의 유기전압이 저하되도록 상기 유기전압 정수를 보정하도록 구성된다.

이것에 의해, 모터 온도의 상승에 따른 영구자석의 자속량의 감소에 의한 모터의 탈조를 방지하고, 진공펌프의 고부하 연속운전을 실현할 수 있다.

상기 보정회로는 상기 케이싱부의 온도가 제1 온도 이상 제2 온도 미만인 경우에는 제1 온도구배를 가지는 제1 근사직선을 따라서 상기 유기전압 정수를 보정하고, 상기 케이싱부의 온도가 상기 제2 온도 이상 제3 온도 미만인 경우에는, 상기 제1 온도구배와는 다른 제2 온도구배를 가지는 제2 근사직선을 따라서 상기 유기전압 정수를 보정하도록 구성될 수도 있다.

상기 제어 유닛은 상기 구동회로의 온도를 검출하는 제2 온도센서를 추가로 가질 수 있다. 상기 구동회로는, 상기 구동회로의 온도가 상기 제3 온도 이상인 경우에는, 상기 복수의 코일로의 상기 구동 신호의 공급을 정지한다.

구동회로의 온도를 검출하는 제2 온도센서가 제1 온도센서와는 별도로 설치되어 있기 때문에, 구동회로의 온도를 적절하게 검출할 수 있다.

본 발명에 1형태에 따른 진공 펌프의 제어 방법은 영구자석 동기형의 모터를 구비한 진공 펌프의 제어 방법으로서, 미리 설정된 유기전압 정수를 기초로 상기 모터를 회전시키는 구동 신호를 생성하는 것을 포함한다.

펌프 본체의 일부를 구성하는 금속제의 케이싱부에 장착된 온도센서의 출력에 의거하여 상기 유기전압 정수가 보정된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 열 변동이 발생했다고 해도 펌프 성능을 안정되게 유지할 수 있다.

도 1은 본 발명에 1실시형태에 따른 진공펌프의 일방측에서 본 전체 사시도이다.
도 2는 상기 진공펌프의 타방측에서 본 전체 사시도이다.
도 3은 상기 진공펌프의 내부구조를 나타내는 개략 확대 횡단면도이다.
도 4는 상기 진공펌프의 내부구조를 나타내는 개략 측단면도이다.
도 5는 상기 진공펌프에서의 제어 유닛의 구성을 개략적으로 나타내는 블럭도이다.
도 6은 상기 제어 유닛에 의한 보정회로의 내부전압의 제어예를 나타내는 도면이다.
도 7은 소정조건으로 운전시켰을 때의 상기 진공펌프의 각부 온도변화를 나타내는 1실험결과이다.
도 8은 상기 진공펌프에 있어서의 제1 온도센서의 장착 예를 설명하는 사시도이다.
도 9는 상기 제1 온도센서를 사용한 온도 검출방법을 설명하는 등가 회로도이다.
도 10은 상기 제어 유닛에서의 보정회로의 작용을 설명하는 개념도이다.
도 11은 상기 제1 온도센서에 의거하는 모터의 로터 코어 추정 온도와 입력전압과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 12는 상기 제어 유닛에 의해 실행되는 처리절차의 1 예를 나타내는 플로우차트이다.

이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시형태를 설명한다.

[전체 구성]

도 1은 본 발명에 1실시형태에 따른 진공펌프의 일방측에서 본 전체 사시도, 도 2는 상기 진공펌프의 타방측에서 본 전체 사시도, 도 3은 상기 진공펌프의 내부구조를 나타내는 개략 확대 횡단면도, 도 4는 상기 진공펌프의 내부구조를 나타내는 개략 측 단면도이다.

도면에서 X축, Y축 및 Z축은 서로 직교하는 3축 방향을 나타내고 있다.

본 실시형태의 진공펌프(100)는, 펌프 본체(10)와, 모터(20)와, 제어 유닛(30)을 갖는다. 진공펌프(100)는 단일 단의 매커니컬 부스터 펌프로 구성된다.

(펌프 본체)

펌프 본체(10)는 제1 펌프로터(11)와, 제2 펌프로터(12)와, 제1 및 제2 펌프로터(11, 12)룰 수용하는 케이싱(13)을 갖는다.

케이싱(13)은 제1 케이싱부(131)와, 제1 케이싱부(131)의 Y축 방향의 양단에 배치된 격벽(132, 133)과, 격벽(133)에 고정된 제2 케이싱부(134)를 갖는다. 제1 케이싱부(131) 및 격벽(132, 133)은 제1 및 제2 펌프로터(11, 12)를 수용하는 펌프실(P)을 형성한다.

제1 케이싱부(131) 및 격벽(132, 133)은 예를 들면, 주철이나 스테인리스강 등의 철계 금속재료로 구성되고, 도면에 나타나 있지 않은 실링을 통해서 서로 결합되어 있다. 제2 케이싱부(134)는 예를 들면, 알루미늄 합금 등의 비철계 금속재료로 구성된다.

제1 케이싱부(131)의 한쪽 주면에는 펌프실(P)에 연통하는 흡기구(E1)가 형성되고, 그 다른 쪽의 주면에는 펌프실(P)에 연통하는 배기구(E2)가 형성된다. 흡기구(E1)에는 도면에 나타나 있지 않은 진공챔버의 내부와 연락하는 흡기관이 접속되고, 배기구(E2)에는 도면에 나타나 있지 않은 배기관 혹은 보조펌프의 흡기구와 접속된다.

제1 및 제2 펌프로터(11, 12)는 주철 등의 철계 재료로 이루어지는 커쿤(cocoon) 타입 로터로 구성되고, X축 방향으로 서로 대향해서 배치된다. 제1 및 제2 펌프로터(11, 12)는 Y축 방향으로 평행한 회전축(11s, 12s)을 각각 갖는다. 각 회전축(11s, 12s)의 일단부(11s1, 12s1)측은 격벽(132)에 고정된 베어링(B1)에 회전 가능하게 지지를 받고 있고, 각 회전축(11s, 12s)의 타단부(11s2, 12s2)측은 격벽(133)에 고정된 베어링(B2)에 회전 가능하게 지지를 받는다. 제1 펌프로터(11)와 제2 펌프로터(12) 사이, 및 각 펌프로터(11, 12)와 펌프실(P)의 내벽면 사이에는 소정의 틈새가 형성되어 있고, 각 펌프로터(11, 12)는 서로 및 펌프실(P)의 내벽면에 비접촉으로 회전하도록 구성된다.

제1 펌프로터(11)의 회전축(11s)의 일단부(11s1)에는 모터(20)를 구성하는 로터 코어(21)가 고정되고, 로터 코어(21)와 베어링(B1) 사이에는 제1 동기 기어(141)가 고정된다. 제2 펌프로터(12)의 회전축(12s)의 일단부(12s1)에는 제1 동기 기어(141)와 맞물리는 제2 동기 기어(142)가 고정되어 있다. 모터(20)의 구동에 의해, 제1 및 제2 펌프로터(11, 12)는 동기 기어(141, 142)를 통해서 서로 역방향으로 회전하고, 이것에 의해 흡기구(E1)로부터 배기구(E2)로 기체가 이송된다.

(모터)

모터(20)는 영구자석 동기형의 캔드 모터로 구성된다. 모터(20)는 로터 코어(21)와, 스테이터 코어(22)와, 캔(23)과, 모터 케이스(24)를 갖는다.

로터 코어(21)는 제1 펌프로터(11)의 회전축(11s)의 일단부(11s1)에 고정된다. 로터 코어(21)는 전자 강판의 적층체와 그 주면에 장착된 복수의 영구자석(M)을 갖는다. 영구자석(M)은 로터 코어(21)의 주위룰 따라서 극성(N극, S극)을 교호로 다르게 해서 배치된다.

본 실시형태에서는 영구자석 재료로서 네오디뮴 자석이나 페라이트 자석 등의 철계 재료가 사용된다. 영구자석의 배치 형태는 특별하게 한정되지 않고, 로터 코어(21)의 표면에 영구자석이 배치되는 표면 자석형(SPM)일 수도 있고, 로터 코어(21)에 영구자석이 매립되는 매립 자석형(IPM)일 수도 있다.

스테이터 코어(22)는 로터 코어(21)의 주위에 배치되고, 모터 케이스(24)의 내벽면에 고정된다. 스테이터 코어(22)는 전자 강판의 적층체와 그것에 감아진 복수의 코일(C)를 갖는다. 코일(C)는 U상 권선, V상 권선 및 W상 권선을 포함하는 3상 권선으로 구성되고, 각각 제어 유닛(30)에 전기적으로 접속된다.

캔(23)은 로터 코어(21)와 스테이터 코어(22) 사이에 배치되고, 내부에 로터 코어(21)를 수용한다. 캔(23)은 PPS(폴리페닐렌설파이드), PEEK(폴리에테르에테르케톤) 등의 합성 수지 재료로 구성된, 기어실(G) 측의 한쪽 끝이 개구하는 바닥이 있는 원통부재이다. 캔(23)은 그 개구 단부측의 주위에 장착된 실링(S)을 통해서 모터 케이스(24)에 고정되고, 로터 코어(21)를 대기(외기)부터 밀봉한다.

모터 케이스(24)는 예를 들면, 알루미늄 합금으로 구성되고, 로터 코어(21), 스테이터 코어(22), 캔(23) 및 동기 기어(141, 142)를 수용한다. 모터 케이스(24)는 도면에 나타나 있지 않은 실링을 통해서 격벽(132)에 고정됨으로써, 기어실(G)을 형성한다. 기어실(G)은 동기 기어(141, 142) 및 베어링(B1)을 윤활하기 위한 윤활유를 수용한다. 모터 케이스(24)의 외표면에는 전형적으로는 복수의 발열 핀이 설치된다.

모터 케이스(24)의 선단은 커버(25)로 피복되어 있다. 커버(25)에는 외기와 연통 가능한 관통구멍이 설치되어 있고, 모터(20)에 인접해서 배치된 냉각 팬(50)을 통해서 로터 코어(21)나 스테이터 코어(22)를 냉각하는 것이 가능하도록 구성된다. 냉각 팬(50) 대신에 또는 부가해서, 모터 케이스(24)를 수냉 가능한 구조로 할 수도 있다.

(제어 유닛)

도 5는 제어 유닛(30)의 구성을 개략적으로 나타내는 블럭도이다.

도 5에 나타나 있는 바와 같이 제어 유닛(30)은 구동회로(31)와, 위치 검출부(32)와, SW(스위칭) 제어부(33)를 갖는다. 제어 유닛(30)은 모터(20)의 구동을 제어하기 위한 것이다. 제어 유닛(30)은 모터 케이스(24)에 설치된 금속제 등의 케이스 내에 수용된 회로기판이나 그 위에 탑재된 각종 전자부품으로 구성된다.

구동회로(31)는 모터(20)를 소정의 회전 수로 회전시키는 구동 신호를 생성한다. 복수의 반도체 스위칭 소자(트랜지스터)를 가지는 인버터 회로로 구성된다. 이것들 반도체 스위칭 소자는 SW 제어부(33)에 의해 개폐 타이밍이 개별적으로 제어되는 것에　의해, 스테이터 코어(22)의 코일(C)(U상 권선, V상 권선 및 W상 권선)에 공급되는 구동 신호를 각각 생성한다.

구동회로(31)는 온도센서(42)(제2 온도센서)를 갖는다. 온도센서(42)는 구동회로(31)의 온도를 검출하고, 이것이 소정의 온도(예를 들면 90℃) 이상인 경우, 구동회로(31)는 코일(C)으로의 구동 신호의 공급을 정지한다. 이것에 의해, 모터(20)를 프리런의 상태로 해서 모터(20)의 계속되는 온도상승을 방지할 수 있다.

위치 검출부(32)는 스테이터 코어(22)의 코일(C)과 전기적으로 접속된다. 위치 검출부(32)는 코일(C)과 교차하는 자속(쇄교 자속)의 시간적 변화에 기인해서 코일(C)에 발생하는 역기전력의 파형으로부터 로터 코어(21)의 자극위치를 간접적으로 검출하고, 그것을 코일(C)로의 통전 타이밍을 제어하는 위치 검출신호로서 SW 제어부(33)에 출력한다.

SW 제어부(33)는 유기전압 정수(Ke)와, 위치 검출부(32)에 의해 검출된 로터 코어(21)의 자극위치에 의거하여 스테이터 코어(22)의 코일(C)(3상 권선)을 여자(excitation)하기 위한 제어신호를 구동회로(31)에 출력한다. 즉, SW 제어부(33)는 위치 검출부(32)에 의해 취득되는 로터 코어의 자극위치로부터 모터(20)의 부하 토크를 검출하고, 그 부하 토크에 의거하여 모터(20)를 탈조시키지 않고 회전시키는 제어신호를 생성하고, 이것을 구동회로(31)에 출력하도록 구성된다. 유기전압 정수는 모터의 유기전압을 제어하기 위한 제어 파라미터로서 전형적으로는, 로터 코어(21)(영구자석(M))의 자속의 세기, 진공펌프의 사양 혹은 운전조건 등에 따라서 결정된 임의의 값이 SW 제어부(33)에 미리 설정된다.

여기에서, 고부하 운전이 연속하면, 펌프 본체(10)는 기계일 등에 의해 발열하고, 모터(20)도 또한 와전류 손실 등에 의해 발열한다. 로터 코어(21)의 온도가 상승하면, 영구자석(M)의 자속량이 감소하고(소자), 모터(20)가 탈조되기 쉬워진다. 모터(20)가 탈조하면, 목적으로 하는 펌프 성능이 수득되지 않게 된다. 이 때문에 모터(20)의 발열 시는 모터(20)를 탈조시키지 않고 펌프 성능을 유지할 수 있는 기술이 요구된다.

본 실시형태의 진공펌프(100)는 로터 코어(21)(영구자석(M))의 온도를 추정하고, 그 추정된 온도에 의거하여 상기 유기전압 정수를 보정하도록 구성된다. 즉, 모터 온도의 변화에 의해 인버터(구동회로(31))에 설정하는 유기전압 정수와 로터 코어의 영구자석(M)의 자속량이 어긋나는 것을 방지하기 위해서, 인버터의 유기전압 정수를 모터의 자속량의 변화에 맞춰서 보정하는 것에　의해, 모터(20)의 탈조를 방지한다.

여기에서, 모터(20)의 유기전압은 구동회로(31)로부터 코일(C)으로의 입력전압으로 제어된다. 입력전압은 후술하는 보정회로(331)의 내부전압(Vout) (도 9 참조)에 의해 결정된다. 보정회로(331)의 내부전압은 전형적으로는 도 6에 나타나 있는 바와 같이 모터 온도가 높아질수록 낮아지게 설정된다. 보정회로의 내부전압의 값은 유기전압 정수로 결정된다.

본 실시형태의 진공펌프(100)는 펌프 본체(10)의 제1 케이싱부(131)의 온도에 의거하여 로터 코어(21)의 온도를 추정하고, 그 추정 값을 기초로 유기전압 정수를 보정하도록 구성된다. 제1 케이싱부(131)는 금속제 재료로 구성되어 있기 때문에, 로터 코어의 영구자석과 동일한 열 시정수를 갖는다. 이것에 의해, 로터 코어(21) 및 영구자석(M)의 온도의 추정 정밀도가 높아지고, 고부하 운전시에서의 모터의 적절한 구동제어가 실현 가능하게 된다.

도 7은 40℃의 외기 온도에서 2시간 이상 연속배기(부하운전)한 후, 운전을 정지시켜서 대기 해방(냉각)했을 때의 진공펌프(100)의 각부 온도변화를 나타내는 1실험결과이다. 도 7에서 로터 온도(P1)는 로터 코어(21)의 온도, 코일 온도(P2)는 코일(C)의 온도, 펌프 케이스 온도(P3)는 제1 케이싱부(131)의 온도, 모터 케이스 온도(P4)는 모터 케이스(24)의 표면온도를 각각 나타내고 있다.

또, P1의 측정에는 모터 케이스(24)의 선단에 설치한 방사 온도계의 출력을 참조했다(측정영역의 방사률 차이에 의한 영향을 억제하기 위해서, 측정영역을 검은 색으로 해서 방사률을 조정했다). P2∼P4의 계측에는 각각의 부위에 설치한 서미스트 등의 측온 소자의 출력을 참조했다.

도 7에 나타나 있는 바와 같이 펌프 케이스 온도(P3)는 로터 코어(21)(영구자석(M))와 동일한 Fe계의 재료로 구성된 제1 케이싱부(131)의 온도에 상당하고, 코일 온도(P2)나 모터 케이스 온도(P4)와 비교해서 로터 온도(P1)와 거의 동일한 온도특성을 갖는다. 이것은 제1 케이싱부(131)가 운전시의 승온원의 하나인 펌프실(P)에 면하는 동시에, 방냉 특성이 로터 코어(21)와 동등하게 되는 열용량을 가지는 것이 원인으로 추정된다. 따라서 펌프 케이스 온도(P3)를 참조함으로써 로터 코어(21)의 온도를 비교적 높은 정밀도로 추정할 수 있다.

그래서, 본 실시형태의 진공펌프(100)는 제1 케이싱부(131)의 온도를 검출하는 온도센서(41)(제1 온도센서)를 구비한다. 온도센서(41)로는 서미스트가 채용되지만, 이것에 한정되지 않고, 열전대 등의 다른 측온 소자가 채용될 수도 있다. 온도센서(41)의 출력은 배선 케이블(43)을 통해서 SW 제어부(33)로 입력된다.

온도센서(41)의 장착방법은 특별하게 한정되지 않고, 예를 들면 도 8에 나타나 있는 바와 같이 온도센서(41)는 제1 케이싱부(131)의 외면에 나사 등의 적당한 고정구(61)를 사용해서 고정된다. 온도센서(41)가 장착되는 제1 케이싱부(131)의 부위도 특별하게 한정되지 않고, 제1 케이싱부(131)의 일단측(격벽(132)측)일 수도 있고, 타단측(격벽(133)측)일 수도 있고, 그것들의 중간부일 수도 있다.

SW 제어부(33)는 온도센서(41)의 출력에 의거하여 모터(20)의 제어 파라미터인 유기전압 정수를 보정하는 보정회로(331)를 갖는다. 본 실시형태에서 보정회로(331)는 SW 제어부(33)의 일부로서 구성되지만, SW 제어부(33)과는 별도 회로로 구성되어 있을 수도 있다.

도 9는 SW 제어부(33)와 보정회로(331)와 온도센서(41)와의 관계를 나타내는 등가회로이다. 온도센서(41)는 분압 저항(40)을 통해서 SW 제어부(33)에 접속되고, 온도센서(41)와 분압 저항(40)으로 구성되는 분압 회로의 출력(Vout)이 보정회로(331)에 입력된다. 분압 회로의 출력(Vout)은 보정회로(331)의 내부전압에 상당한다.

보정회로(331)는 제1 케이싱부(131)의 온도가 소정의 온도범위인 경우에는, 제1 케이싱부(131)의 온도가 높을수록 모터(20)의 유기전압이 저하되도록 유기전압 정수를 보정하도록 구성된다. 이것에 의해, 모터(20)의 열 변동, 예를 들면, 모터 온도의 상승에 따른 영구자석(M)의 자속량의 감소에 의한 모터(20)의 탈조를 방지하고, 진공펌프(100)의 고부하 연속운전을 실현할 수 있다.

예를 들면 도 10은 보정회로(331)에 의한 유기전압 정수의 보정의 1예를 나타내는 개념도면으로서, 온도센서(41)의 출력을 기초로 추정된 로터 코어(21)의 온도와 유기전압 정수와의 관계를 나타내고 있다. 보정회로(331)는 로터 코어(21)의 추정 온도가 높을수록, 유기전압 정수를 작게 한다. 즉, 모터 온도에 관계없이 일정한 유기전압 정수로 모터(20)를 구동하는 비교예와 달리, 온도상승에 따른 영구자석(M)의 자력 감소량에 적당한 유기전압 정수로 모터(20)를 구동한다. 이것에 의해, 모터(20)의 탈조를 발생시키지 않고 진공펌프(100)를 안정하게 구동하는 것이 가능하게 된다.

또, 도 10의 예에서는 0℃ 이상의 온도범위에서, 로터 코어(21)의 추정 온도에 대하여 유기전압 정수가 직선적으로 변화된다. 이 경우의 유기전압 정수의 경사는 영구자석(M)의 온도계수에 대응하도록 설정된다. 영구자석(M)의 온도계수가 비선형인 경우에는 유기전압 정수의 구배도 비선형이 되도록 설정할 수 있다. 유기전압 정수를 보정하는 온도의 하한은 0℃에 한정되지 않고, 0℃보다도 고온 혹은 저온일 수도 있다.

온도센서(41)의 출력에 의거하는 로터 코어(21)의 온도 추정 방법에 대해서 설명한다.

도 11에 온도센서(41)의 출력 온도특성을 나타낸다. 온도센서(41)에는 반도체 부품인 서미스트가 사용되고, 로터 코어(21)(영구자석(M))과는 다른 비선형인 온도특성을 갖는다. 그래서 보정회로(331)는 온도센서(41)의 출력에 의거하고, 40℃∼90℃의 온도범위에서는 도면 중 굵은 실선으로 도시하는 바와 같이 로터 코어(21)(영구자석(M))의 온도를 추정하는 근사직선(AP)을 설정하고, 근사직선(AP)에 대응하는 온도를 로터 코어(21)의 추정 온도로서 취득한다. 보정회로(331)는 취득한 추정 온도를 기초로 유기전압 정수를 보정한다(도 10).

예를 들면, 온도센서(41)의 검출온도가 70℃의 경우, 보정회로(331)의 내부전압은 4.5V이다(도 11). 보정회로(331)는 그 내부전압의 값에 대응한 로터 코어(21)의 추정 온도를 근사직선(AP)로부터 취득하고(본 예에서는 80℃), 당해 추정 온도에 대응하는 값으로 유기전압 정수를 보정한다 (도 10 참조).

또, 본 실시형태의 보정회로(331)는 도 11에 나타나 있는 바와 같이 온도센서(41)에 의해 검출되는 제1 케이싱부(131)의 온도가 제1 온도(Th1)(40℃) 이상 제2 온도(Th2)(70℃) 미만인 경우에는 제1 온도구배를 가지는 제1 근사직선(AP1)을 따라서 유기전압 정수를 보정한다.

한편, 온도센서(41)에 의해 검출되는 제1 케이싱부(131)의 온도가 제2 온도(Th2) 이상 제3 온도(Th3)(90℃) 미만인 경우에는 보정회로(331)는 상기 제1 온도구배와는 다른 제2 온도구배를 가지는 제2 근사직선(AP2)을 따라서 유기전압 정수를 보정한다.

상기 제1 및 제2 구배는 40℃ 이상 90℃ 이하에서의 온도센서(41)의 출력 온도특성에 따라서 적당하게 설정된다. 본 실시형태에서는 당해 온도범위에서의 로터 코어(21)의 추정 온도가 온도센서(41)에 의해 검출되는 온도보다도 예를 들면 10℃ 정도 높아지도록, 제1 온도구배가 제2 구배보다도 크게 설정된다. 이렇게 로터 코어 추정 온도를 약간 높게 추정함으로써, 당해 온도범위에서의 모터(20)의 탈조를 확실하게 방지할 수 있다.

제1∼제3 온도(Th1∼Th3)은 일례이고, 모터의 종류나 사양에 따라서 각각 적당하게 변경 가능하다. 제1 및 제2 근사직선(AP1, AP2)도, 온도센서(41)의 온도특성에 따라서 적당하게 설정 가능하다. 근사직선은 2개에 한정되지 않고, 1개 또는 3개 이상 설정될 수도 있다. 근사식은 직선에 한정되지 않고, 곡선일 수도 있은, 또, 근사식은 연속적일 수도 있고, 이산적일 수도 있다.

보정회로(331)는 제1 케이싱부(131)의 온도가 제1 온도(Th1)(40℃) 미만인 경우, 로터 코어(21)(영구자석(M))의 온도를 제1 온도(Th1)로 추정한다. 한편, 보정회로(331)는 제1 케이싱부(131)의 온도가 제3 온도(Th3)(90℃) 이상인 경우, 로터 코어(21)(영구자석(M))의 온도를 제3 온도(Th3)로 추정한다. 구동회로(31)의 온도가 90℃ 이상이 되면, 전술한 바와 같이, 온도센서(42)(도 5 참조)의 출력에 의거하여 구동회로(31)는 구동 신호의 생성을 정지한다.

보정회로(331)는 온도센서(41)의 배선 케이블(43)의 단선을 검출했을 때, 진공펌프(20)의 구동이 정지하도록 모터(20)를 정지시키고, 혹은 프리런의 상태로 하도록 구동회로(31)를 제어하도록 구성된다. 배선 케이블(43)의 단선은 분압 회로의 출력(Vout) (도 9 참조)에 의거하여 검출할 수 있다.

[진공펌프의 동작]

다음에, 이상과 같이 구성되는 본 실시형태의 진공펌프(100)의 전형적인 동작에 대해서 설명한다.

도 12는 제어 유닛(30)에 의해 실행되는 처리스텝의 1예를 나타내는 플로우차트이다.

진공펌프(100)의 운전이 개시되면, 제어 유닛(30)은 미리 설정된(보정 전의) 유기전압 정수(Ke)를 기초로 모터(20)를 소정의 회전수로 회전시키는 구동 신호를 생성한다. 모터(20)의 작동에 의해 제1 및 제2 펌프로터(11, 12)가 회전하고, 흡기구(E1)에서 흡입된 도면에 나타나 있지 않은 진공챔버 내의 기체를 배기구(E2)에서 배출하는 소정의 펌프 작용이 실행된다.

고부하 운전이 연속하면, 펌프 본체(10)는 기계일 등에 의해 발열하고, 모터(20)도 또한 와전류 손실 등에 의해 발열한다. 로터 코어(21)의 온도가 상승하면, 영구자석(M)의 자속량이 감소하고(감소 자석), 모터(20)가 탈조되기 쉬워진다. 모터(20)가 탈조되면 목적으로 하는 펌프 성능이 수득되지 않게 된다.

그래서, 제어 유닛(30)(보정회로331)은 펌프 본체(10)의 일부를 구성하는 철계의 케이싱부(제1 케이싱부(131))에 장착된 온도센서(41)의 출력에 의거하여 모터(20)의 유기전압을 제어하기 위한 유기전압 정수를 보정한다.

더 상세하게는, 도 12에 나타나 있는 바와 같이 보정회로(331)는 온도센서(41)(제1 온도센서)의 출력에 의거하여 제1 케이싱부(131)의 온도를 취득한다(스텝(101)). 그리고 보정회로(331)는 제1 케이싱부(131)의 온도가 제1 온도(Th1)(40℃) 이상인지의 여부를 판정하고, 제1 온도(Th1) 미만인 경우에는, 로터 코어(21)(영구자석(M))의 온도를 제1 온도(Th1)로 추정하고, 제어정수를 변경하지 않고 모터(20)의 구동을 계속한다(스텝(102, 103)).

한편, 제1 케이싱부(131)의 온도가 제1 온도(Th1) 이상, 제2 온도(Th2)(70℃) 미만인 경우, 보정회로(331)는 제1 근사직선(AP1)을 따라서 유기전압을 저하시키도록 유기전압 정수를 보정한다(도 6, 10, 11, 스텝(104, 105)).

보정회로(331)는 제1 케이싱부(131)의 온도가 제2 온도(Th2) 이상, 제3 온도(Th3)(90℃) 미만인 경우에는, 제2 근사직선(AP2)(도 11 참조)을 따라서 유기전압을 저하시키도록 유기전압 정수를 보정한다(도 6, 10, 11스텝(106, 107)).

이상과 같이, 제1 케이싱부(131)의 온도가 높아질 수록 모터(20)의 유기전압이 저하되도록 유기전압 정수를 보정하도록 되어 있기 때문에, 모터(20)의 탈조를 발생시키지 않고, 진공펌프(100)를 안정되게 구동하는 것이 가능하게 된다. 모터(20)의 유기전압 보정 전후에 있어서, 전형적으로는 회전수는 변화되지 않고 일정하게 유지된다. 이 때문에, 펌프 성능은 안정하게 유지된다.

매커니컬 부스터 펌프에서는 추가로 고부하(대기압 근방)에 있어서, 종종 회전수를 낮추어서 펌프를 보호하는 토크 리미터를 사용하는 경우가 있다. 그 경우는, 펌프의 일이 저하되어 모터 로터 온도 및 펌프 본체 온도가 저하되기 때문에, 그것에 추종해서 유전 압정수를 올리고, 토크 리미터 중도 안정제어를 실현시킨다.

제1 케이싱부(131)의 온도가 제3 온도(Th3) 이상인 경우, 제어 유닛(30)은 로터 코어(21)(영구자석(M))의 온도를 제3 온도로 추정하고, 제3 온도에 대응한 유기전압 정수로 계속해서 모터(20)를 구동한다. 모터(20)의 온도가 더욱 상승하면, 구동회로(31) 내의 온도센서(42)의 출력에 의거하고, 구동회로(31)에 의한 구동 신호의 생성이 정지하고, 모터(20)를 프리런 상태로 시킨다. 배선 케이블(43)의 단선 등에 의해 온도센서(41)로부터의 출력이 수득되지 않을 때도 동일하게, 모터(20)를 프리런 상태로 시킨다.

이상의 동작은, 진공펌프(100)의 운전 정지조작이 수행되기까지 반복 실행된다(스텝(109)).

본 실시형태에 의하면, 온도센서(41)가 로터 코어(21)의 영구자석(M)과 동일한 열 시정수를 가지는 재료로 구성된 제1 케이싱부(131)의 온도를 검출하도록 구성되어 있기 때문에, 영구자석(M)의 온도의 추정 정밀도를 높일 수 있다. 이것에 의해, 고부하 운전시에서의 모터가 적절한 구동제어를 실현할 수 있다. 그리고 고부하(고압력) 영역에서의 펌프 성능을 안정하게 유지할 수 있기 때문에 배기시간을 단축할 수 있고, 진공처리의 생산성을 향상시킬 수 있다.

본 실시형태에 의하면, 로터 코어(21)(영구자석(M))의 온도에 대응해서 모터(20)의 유기전압 정수를 보정하도록 하고 있기 때문에, 모터(20)의 냉각에 비교적 대용량의 냉각구조를 필요로 하는 않고, 모터(20)를 탈조시키지 않고 구동할 수 있다. 이러한 효과는 영구자석 동기형의 캔드 모터를 구비한 진공펌프의 설비 코스트의 저감에 크게 공헌할 수 있다.

또 본 실시형태에 의하면, 구동회로(31)의 온도를 검출하는 온도센서(42)를 로터 코어(21)의 온도 추정용의 온도센서(41)와는 별도로 설치되어 있기 때문에, 구동회로(31)의 온도를 적절하게 검출하고, 구동회로(31)의 보호를 도모할 수 있다.

이상, 본 발명의 실시형태에 대해서 설명했지만, 본 발명은 상술한 실시형태에만 한정되는 것은 아니고 여러 가지로 변경을 부가할 수 있는 것은 물론이다.

예를 들면 이상의 실시형태에서는 진공펌프로서 매커니컬 부스터 펌프를 예로 들어서 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, 스크류 펌프나 다단 루츠 펌프 등의 다른 용적 이송형 진공펌프에 본 발명은 적용 가능하다.

또, 이상의 실시형태에서는 온도센서(41)가 펌프 본체(10)의 제1 케이싱부(131)의 온도를 검출하도록 구성되었지만, 이것에 한정되지 않고, 온도센서(41)는 격벽(132, 133) 혹은 제2 케이싱부(134)의 온도를 검출하도록 구성될 수도 있다.

10: 펌프 본체
11s, 12s: 회전축
20: 모터
21: 로터 코어
22: 스테이터 코어
23: 캔
24: 모터 케이스
30: 제어 유닛
31: 구동회로
32: 위치 검출부
33: SW 제어부
41: 제1 온도센서
42: 제2 온도센서
100: 진공펌프
131: 제1 케이싱부
331: 보정회로
M: 영구자석

Claims (8)

1. 회전축과, 금속제의 케이싱부를 가지는 펌프 본체와,
   상기 케이싱부에 장착되고, 상기 케이싱부의 온도를 검출하는 제1 온도센서와,
   영구자석을 포함해서 상기 회전축에 장착된 로터 코어와, 복수의 코일을 가지는 스테이터 코어와, 상기 로터 코어를 수용하는 캔을 가지는 모터와,
   상기 로터 코어의 자극위치를 검출하는 위치 검출부와, 상기 모터의 회전속도에 대응하는 상기 모터의 유기전압을 결정하는 미리 설정된 유기전압 정수와 상기 로터 코어의 자극위치를 기초로, 상기 모터를 회전시키는 구동 신호를 상기 복수의 코일로 공급하는 구동회로와, 상기 제1 온도센서의 출력에 의거하여 상기 로터 코어의 온도를 산출하고, 상기 유기전압 정수를 상기 영구자석의 자속량의 변화에 맞춰서 보정하는 보정회로를 구비한 제어 유닛을 가지는 진공펌프.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 보정회로는 상기 케이싱부의 온도가 소정의 온도범위인 경우에는, 상기 케이싱부의 온도가 높을수록 상기 모터의 유기전압이 저하되도록 상기 유기전압 정수를 보정하는 진공펌프.
3. 제2 항에 있어서,
   상기 보정회로는 상기 케이싱부의 온도가 제1 온도 이상 제2 온도 미만인 경우에는, 제1 온도구배를 가지는 제1 근사직선을 따라서 상기 유기전압 정수를 보정하고, 상기 케이싱부의 온도가 상기 제2 온도 이상 제3 온도 미만인 경우에는, 상기 제1 온도구배와는 다른 제2 온도구배를 가지는 제2 근사직선을 따라서 상기 유기전압 정수를 보정하는 진공펌프.
4. 제3 항에 있어서,
   상기 제1 온도구배는 상기 제2 온도구배보다도 큰 진공펌프.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
   상기 제어 유닛은 상기 구동회로의 온도를 검출하는 제2 온도센서를 추가로 가지고,
   상기 구동회로는 상기 구동회로의 온도가 상기 제3 온도 이상인 경우에는, 상기 복수의 코일로의 상기 구동 신호의 공급을 정지하는 진공펌프.
6. 영구자석 동기형의 모터를 구비한 진공 펌프의 제어 방법으로서,
   로터 코어의 자극위치를 검출하고,
   상기 모터의 회전속도에 대응하는 상기 모터의 유기전압을 결정하는 미리 설정된 유기전압 정수와 상기 로터 코어의 자극위치를 기초로 상기 모터를 회전시키는 구동 신호를 생성하고,
   펌프 본체의 일부를 구성하는 금속제의 케이싱부에 장착된 온도센서의 출력에 의거하여 상기 로터 코어의 온도를 산출하고,
   상기 유기전압 정수를 상기 영구자석의 자속량의 변화에 맞춰서 보정하는 진공 펌프의 제어 방법.
7. 제6 항에 있어서,
   상기 케이싱부의 온도가 소정의 온도범위인 경우에는, 상기 케이싱부의 온도가 높을수록 상기 모터의 유기전압이 저하되도록 상기 유기전압 정수를 보정하는 진공 펌프의 제어 방법.
8. 제7 항에 있어서,
   상기 케이싱부의 온도가 제1 온도 이상 제2 온도 미만인 경우에는, 제1 온도구배를 가지는 제1 근사직선을 따라서 상기 유기전압 정수를 보정하고,
   상기 케이싱부의 온도가 상기 제2 온도 이상 제3 온도 미만인 경우에는, 상기 제1 온도구배와는 다른 제2 온도구배를 가지는 제2 근사직선을 따라서 상기 유기전압 정수를 보정하는 진공 펌프의 제어 방법.

Images