KR20060076776A

KR20060076776A - 자기 베어링 장치 및 진공 펌프

Info

Publication number: KR20060076776A
Application number: KR1020067005335A
Authority: KR
Inventors: 필립 뷜러; 레네 라르존노이르
Original assignee: 메코스 트랙슬러 아게
Priority date: 2003-09-17
Filing date: 2004-09-02
Publication date: 2006-07-04
Also published as: US20070024138A1; WO2005026557A1; EP1668252A1; CN1842655A; US7633201B2; EP1668252B1; JP4767853B2; JP2007506019A; EP1517042A1; KR101074319B1; CN100580255C

Abstract

회전축(101)을 중심으로 회전되는 샤프트(20)를 회전 가능하게 지지하는 자기 베어링 장치(1)가 공개된다. 상기 장치는 제1 활성 레이디얼 베어링(5), 및 하나 이상의 제1 레이디얼 변위 센서(8), 및 축방향 베어링(6, 7)을 포함한다. 상기 축방향 베어링(6)의 적어도 일부는, 상기 회전축(101)에 직각 투영하여 본다면 상기 제1 활성 레이디얼 베어링(5)과 상기 제1 레이디얼 변위 센서(81) 사이에 배치된다. 또한 이러한 자기 베어링 장치(1) 및 다중-센싱 유닛(8)을 포함하는 진공 펌프가 공개된다.

자기, 베어링, 펌프, 샤프트, 레이디얼 베어링, 축방향 베어링, 다중 센싱, 회전축

Description

자기 베어링 장치 및 진공 펌프{MAGNETIC BEARING DEVICE AND VACUUM PUMP}

본 발명은 자기 베어링 장치 및 이러한 자기 베어링 장치를 포함하는 진공 펌프, 특히 터보-몰레큘러 진공 펌프(TMP)에 관한 것이다.

터보-몰레큘러 진공 펌프에서, 펌프 블레이드가 장착된 로터(rotor)가 높은 각속도로 회전된다. 이 회전을 가능한 한 손실 없고 마모 없이 만들도록 하기 위하여, 흔히 자기 베어링은 로터를 비접촉 방식으로 지지하는데 사용된다. 자기 베어링은 영구 자석을 사용하는 피동형, 또는 여러 가지 전자석을 이용하는 활성형일 수 있다. 또한 피동형 및 활성형 베어링의 조합은 물론, 표준 볼 베어링 및/또는 에어 베어링의 조합도 이 기술에서 알려져 있다.

일반적으로 로터는 6개의 공간 자유도(spatial degree of freedom)(DOF)를 가지는 강성의 상단부를 구성하고 있다. 하나의 자유도는 로터 축을 중심으로 회전이다. 일반적으로 이러한 자유도는 전기 모터에 의하여 구동된다. 다른 5개의 자유도는 고정적이다. 따라서, 베어링은 이러한 자유도에 따라서 운동을 제한할 필요가 있다.

일반적으로, 터보-몰레큘러 진공 펌프는 임의의 방향으로 작동될 수 있는데, 즉, 로터 축은 공간에서 임의의 방향을 가질 수 있다. 이하에서, 로터 축은 수직 이고, 로터는 스테이터(stator)의 로터 대응부를 지지하고 원통형 대칭의 기다란 샤프트에 의하여 베어링 스테이터에 지지된다. 또한 일반적으로 자유도의 필요한 제한은, 샤프트의 상부의 레이디얼 운동을 제한하는 한 세트의 상부 레이디얼 베어링을 2개의 상호 수직하는 반경 방향으로 제공하고, 샤프트의 하부의 레이디얼 운동을 제한하는 한 세트의 하부의 레이디얼 베어링을 2개의 상호 수직하는 반경 방향으로 제공하고, 샤프트의 축방향 운동을 제한하는 한 세트의 축방향 베어링[흔히 스러스트 베어링(thrust bearings)으로 부름]을 제공함으로써, 달성된다. 이것은 5개의 자유도에 대한 제어를 제공한다.

이들 베어링들의 모두 또는 일부만 활성 베어링일 수 있다. 활성 베어링을 제어하기 위하여, 그 이상적인 위치로부터 특정 방향을 따라 샤프트의 변위를 결정하는 센서가 필요하다. 이러한 센서는 이 기술에 잘 알려져 있다.

일반적으로, 센서, 베어링, 및 구동 모터는 베어링 장치를 형성하도록 함께 배치된다. 일반적으로 베어링 장치의 구성요소의 배치는 특정 순서로 정해진다. 상기 장치의 상단부, 즉 블레이드를 갖는 펌프 로터가 장착되는 단부에서 시작하여, 일반적으로 순서는 일반적으로 상단으로부터 하단으로 다음과 같다:

a. 상부 레이디얼 센서

b. 상부 레이디얼 베어링

c. 구동 모터

d. 하부 레이디얼 베어링

e. 하부 레이디얼 센서

f. 축방향 베어링

g. 축방향 센서

일반적으로 축방향 센서는 샤프트의 하단부 아래에 장착된다. 또한, 예를 들면, 회전 주파수를 측정하기 위하여, 추가 센서가 존재할 수 있다. 이러한 배치는, 예를 들면, 마에지마(Maejima)의 미국 특허 번호 6,465, 924호에 공개된다(예를 들면, 상기 특허의 도 5 참조).

그러나, 이러한 배치는 베어링 장치, 따라서 샤프트의 길이가 비교적 길게 된다. 또한, 축을 따라서 적어도 3개의 평면에 센서가 존재하는데, 이것은 케이블 작업을 복잡하게 만들고 비용이 많이 들게 한다. 샤프트의 긴 길이 때문에, 힘의 모멘트가 오히려 커져, 강한 베어링을 필요로 한다. 또한, 긴 샤프트는 낮은 굽힘 고유 주파수를 가져, 자기 베어링 제어를 방해한다. 마지막으로, 가능한 한 짧은 TMP 길이가 최종 수요자를 위하여 바람직하다.

미국 특허 출원 번호 2003/0155829호는 반경방향 변위는 물론 축방향 변위에 대하여도 반작용하는 하나의 스러스트 디스크를 가지는 자기 베어링 장치를 공개한다. 이러한 구조는 장치의 길이가 짧게 되지만, 단지 3개의 자유도만의 활성 제어를 제공한다.

따라서, 본 발명의 목적은 길이가 감소되고 구조가 단순한 자기 베어링 장치를 제공하는데 있다.

이러한 목적은 제1항에 따른 회전축을 중심으로 회전되는 로터를 회전 가능하게 지지하는 자기 베어링 장치에 의하여 달성된다. 상기 자기 베어링 장치는 제1 활성 레이디얼 베어링(active radial bearing), 하나 이상의 제1 레이디얼 변위 센서, 및 축방향 베어링을 포함한다. 본 발명에 따르면, 상기 축방향 베어링의 적어도 일부는, 상기 회전축에 직각 투영하여 본다면 상기 제1 활성 레이디얼 베어링과 상기 제1 레이디얼 변위 센서 사이에 배치된다.

바람직하게는, 상기 자기 베어링 장치는 제2 활성 레이디얼 베어링을 추가로 포함한다. 상기 제1 및 제2 레이디얼 베어링은 회전축을 따라 다른 위치에 배치된다. 바람직하게는, 상기 제2 레이디얼 베어링은 상기 회전축에 직각 투영하여 본다면 상기 제1 레이디얼 베어링과 같이 축방향 베어링의 동일한 측에 배치된다. 즉, 바람직하게는 제1 레이디얼 베어링은 상기 축방향 베어링과 상기 제2 레이디얼 베어링 사이에 배치된다.

바람직하게는, 상기 자기 베어링 장치는 제2 레이디얼 변위 센서를 포함한다. 또한 상기 제1 및 제2 레이디얼 변위 센서는 회전축을 따라서 다른 위치에 배치된다. 이러한 장치는 5개의 자유도의 활성 제어를 가능하게 한다.

여기에서, 직각 투영은 회전축에 방사상으로 향하는 광선에 의한 투영으로 정의된다. 즉, 축방향 베어링, 제1 활성 레이디얼 베어링, 및 제1 레이디얼 변위 센서는 다음 방식으로 배치된다: 회전축에 직각이고 제1 활성 레이디얼 베어링과 교차하는 모든 평면이 선택되고, 회전축에 직각이고 제1 레이디얼 변위 센서와 교차하는 모든 평면이 선택되면, 항상, 회전축에 직각이고, 축방향 베어링과 교차하며, 다른 2 세트의 평면 사이에 위치하는 하나의 평면이 발견될 수 있다.

따라서, 일반적인 배치에 관하여, 제1 레이디얼 변위 센서는, 제1 레이디얼 베어링에서 본다면 축방향 베어링의 적어도 일부의 먼 측면의 위치로 이동된다. 이것은 더 작은 공간을 필요로 하면서 더 짧은 길이 및 더 작은 무게의 간단한 구조, 더 높은 감도 및 따라서 더욱 양호한 제어를 가능하게 한다.

바람직한 실시예에서, 축방향 베어링은 보이드 스페이스(void space)를 제공하며, 상기 제1 레이디얼 변위 센서는 상기 축방향 베어링의 상기 보이드 스페이스 내에 뻗어 있다.

상기 베어링 장치는 구동 모터를 추가로 포함할 수 있다. 또한, 구동 모터가 제1 및 제2 활성 레이디얼 베어링 사이에 배치되고, 제2 레이디얼 변위 센서가 회전축에 직각 투영하여 본다면 상기 제2 활성 레이디얼 베어링과 구동 모터 사이에 배치되는 것이 바람직하다.

활성 제어를 위하여, 상기 자기 베어링 장치는 하나 이상의 축방향 변위 센서 및 각속도를 감지하는 하나 이상의 센서를 추가로 포함할 수 있다. 베어링 장치의 바람직한 구조는, 상기 제1 레이디얼 변위 센서와 상기 축방향 변위 센서가 하나의 다중-센싱 유닛(multiple-sensing unit)에 통합되면 발생된다. 바람직하게는 또한 상기 각속도 센서는 다중-센싱 유닛에 통합된다.

본 발명의 다른 목적은 크기 및 무게가 감소되고 안정성이 향상되는, 펌프, 특히 터보-몰레큘러 펌프를 제공하는데 있다. 이 목적은 제7항에 따른, 펌프, 특히 터보-몰레큘러 펌프에 의하여 달성된다.

본 발명의 또 다른 목적은 회전하는 샤프트의 다수의 특성의 동시적인 판별을 가능하게 하면서 공간이 감소되며 단순한 케이블 작업을 제공하는 수단을 제공하는데 있다. 이러한 목적은 제8항에 따른 다중-센싱 유닛에 의하여 달성된다. 따라서, 다중-센싱 유닛은 홀딩 부재(holding member) 및 상기 홀딩 부재에 장착되는 복수의 센서를 포함하고, 상기 센서 중 하나 이상은 레이디얼 변위 센서이고, 상기 센서 중 하나 이상은 축방향 변위 센서이다. 바람직하게는, 또한 하나 이상의 각속도 센서가 다중-센싱 유닛에 통합되고, 따라서, 바람직하게는, 상기 센서 중 하나 이상은 각속도 센서이다. 이러한 센서는 펄스 센서(pulse sensor) 또는 소위 리졸버(resolver)일 수 있고, 양 타입은 이 기술에 잘 알려져 있다.

이러한 다중-센싱 유닛은, 다수의 센서를 하나의 유닛 내에 통합시키는 것을 허용하는데, 이것은 장치의 제조 동안 제 위치에 쉽게 위치시킬 수 있고, 전체로서 쉽게 교체할 수 있기 때문에, 바람직하다. 이 때문에, 바람직하게는, 다중-센싱 유닛은 센서에 대한 모든 전기 접속을 위하여 하나의 커넥터를 가지고 있다.

바람직하게는, 상기 다중-센싱 유닛은, 그 최종 위치를 자기 베어링 장치 내에 채택할 때, 축방향 베어링 유닛의 적어도 일부분이 상기 회전축에 직각 투영하여 본다면 상기 제1 레이디얼 베어링 유닛과 상기 다중-센싱 유닛 사이에 배치되는 방식으로 구성된다.

바람직하게는, 상기 홀딩 부재는, 상기 축방향 베어링에 제공된 보이드 스페이스 내에 적어도 일부 뻗어 있도록, 상기 자기 베어링 장치 내에 배치되도록 채택된다.

도 1은 터보-몰레큘러 진공 펌프의 개략적인 측단면도를 도시한다.

도 2는 삽입된 샤프트를 갖는 베어링 장치의 측단면도를 도시한다.

도 3은 샤프트의 측단면도를 도시한다.

도 4는 상부 센싱 유닛과 함께 상부 레이디얼 베어링 유닛의 확대 측단면도를 도시한다.

도 5는 상부 센싱 유닛의 확대 측단면도를 도시한다.

도 6은 구동 모터 유닛의 확대 측단면도를 도시한다.

도 7은 하부 레이디얼 베어링 유닛의 확대 측단면도를 도시한다.

도 8은 단면 Ⅸ-Ⅸ선을 나타내며, 다른 척도로, 다중-센싱 유닛과 함께 하부 축방향 베어링 유닛의 평면도를 도시한다.

도 9는 Ⅸ-Ⅸ선에서 다중-센싱 유닛과 함께 하부 축방향 베어링 유닛의 단면도를 도시한다.

도 10은 다중-센싱 유닛의 평면도를 도시한다.

도 11은 다중-센싱 유닛의 확대 측단면도를 도시한다.

도 1에서, 수직 방향에서 터보-몰레큘러 진공 펌프(turbo-molecular vacuum pump)의 다수의 중요 구성요소의 배치가 개략적으로 도시된다. 상기 펌프는 공간에서 임의 방향으로 작용될 수 있고, 도시된 수직 방향은 단순히 예시 목적으로 선택된 것이며, 임의 부품에 보다 바람직하게 부호를 붙일 수 있다. 이하에서, "상부(upper)", 및 "하부(lower)", "상단(top)", 및 "하단(bottom)" 등과 같은 부호 는, 이러한 위치로 작동하는데 제약을 받지 않으면서, 도 1의 위치를 참조하기 위하여 단순히 채택된다.

상기 펌프는 자기 베어링 장치(magnetic bearing unit)(1) 및 상기 베어링 장치(1)에 의하여 지지되는 로터(rotor)(19)를 포함한다. 상기 로터(19)는 축(101)을 중심으로 회전될 수 있고 베어링 장치 내에서 수직 샤프트(20)에 의하여 지지된다. 복수의 펌프 블레이드(191)는 자기 베어링 장치(1)를 부분적으로 둘러싸고, 그 상단부에서 상기 샤프트(20)에 연결된다. 그 하단부 근처에서, 수평 디스크(21)가 샤프트에 장착된다. 자기 베어링 장치(1)는, 상단으로부터 하단으로의 순서로, 상부 레이디얼 베어링 유닛(2), 상부 센싱 유닛(3), 구동 모터 유닛(4), 하부 레이디얼 베어링 유닛(5), 상부 축방향 베어링 유닛(6), 하부 축방향 베어링 유닛(7), 및 다중-센싱 유닛(multiple-sensing unit)(8)을 포함한다. 상기 다중-센싱 유닛(8)은 상기 샤프트의 하단부와 하부 축방향 베어링 유닛(7) 사이의 보이드 스페이스(void space) 내에 뻗어 있다.

상기 샤프트(20)와 함께 상기 자기 베어링 장치(1)가 도 2에 보다 상세하게 도시된다. 유사한 부품은 도 1과 동일한 참조 부호를 사용한다. 도 1에 이미 도시된 유닛에 더하여, 자기 베어링 장치를 홀딩하고 보호하는, 하우징(11) 및 바닥 플레이트(12)가 도시된다. 상기 장치의 상단 근처에, 시동 중에나 또는 비상 상태에 상기 샤프트를 잡기 위한 상부 터치-다운(touch-down)(보조) 볼 베어링(9)이 배치된다. 한 쌍의 하부 터치-다운 볼 베어링(19)이 상기 샤프트와 상기 상부 축방향 베어링 유닛(6) 사이의 환형의 보이드 공간에 배치된다. 펌프의 정상 동작 중 에, 이들 터치-다운 볼 베이링은 작동되지 않는다. 다중-센싱 유닛(8)은 다수의 센서, 특히, 하부 레이디얼 변위 센서(81), 축방향 변위 센서(82), 및 기준 센서(84)를 포함한다.

도 3을 참조하면, 샤프트(20)가 단독으로 도시된다. 상기 샤프트(20)는 대체로 원통형 대칭이고, 대칭축(101)이 회전축이다. 샤프트(20)는 가변 직경부를 가지고 있다. 비교적 소직경을 갖는 상단부(25)는 펌프 블레이드 어셈블리를 장착하기 위하여 제공된다. 상부로부터 하부로, 자기 특성을 갖는 링형 구조체(22, 23, 24)에 의하여 둘러싸이는 다수의 대직경부가 뒤따르고, 실제로, 링형 구조체는 각각 레이디얼 자기 베어링 유닛 및 구동 모터 유닛과 상호 작용한다. 따라서 상기 베어링 유닛 및 구동 모터 유닛은, 링형 구조체가 로터 대응부를 형성하는 스테이터(stator)로서 작용한다. 이러한 링형 구조체의 구조는 이 기술에서 잘 알려져 있어, 여기서 설명될 필요는 없다. 더 작은 직경을 갖는 샤프트의 하단부(26)에, 수평 디스크(21)가 너트(27)의 도움으로 장착되는데, 이 수평 디스크는 작동시 다중-센싱 유닛(8)으로 연장되고, 상기 다중-센싱 유닛에 배치되는 센서와 상호 작용하도록 되어 있다.

자기 베어링 장치의 각 유닛이 도 4 내지 도 11을 참조하여 보다 상세하게 설명된다.

도 4는 하부에 상부 센싱 유닛(3)이 장착되는, 상부 레이디얼 베어링 유닛(2)의 확대 측단면도를 도시한다. 이 두 개의 유닛은 대략 환형상으로 되어 있고, 회전축을 따라서 위치되는 원통형 중앙 구멍을 통하여 샤프트(20)가 작동시 신장된 다. 상부 베어링 유닛은 마그네틱 코어(magnetic core)(203)가 감겨진 코일(202)로 이루어진 복수의 전자석을 포함한다. 도 4에서, 8개의 이러한 코일이 구멍의 원주 주위에 등간격으로 배치되고, 8개의 코일을 사용하는 것이 바람직하지만, 개수는 중요하지 않으며, 예를 들면, 4개만이나 심지어 3개의 코일도 사용될 수 있다. 와이어(wire)(205)가 코일에 전류를 공급하도록 코일에 연결된다. 작동시, 이러한 전류는 자장(magnetic field)이 코일에 의하여 생성되도록 하는데, 이 자장은 레이디얼 베어링 유닛(2)과 샤프트(20)의 상부 사이에 방사력을 유도한다.

상부 센싱 유닛(3)이 도 5에 다른 측단면도로 도시되는데, 그 단면(보이는) 평면이 도 4에 대하여 회전축을 중심으로 22.5° 회전되어 있다. 상기 상부 센싱 유닛(3)은 상부 레이디얼 베어링 유닛(2)과 상호 작용하도록 설계된 홀딩 부재(holding member)(301)를 포함한다. 홀딩 부재(301)의 방사 개구에는, 4개의 레이디얼 변위 센서(31)가 구멍의 원주 둘레에 등간격으로 배치된다. 환형의 보이드(void)(302)가 홀딩 부재에 위치되는데, 이 보이드에 센서(31)를 작동시키도록 와이어가 안내된다. 4개의 레이디얼 변위 센서를 제공하는 것이 바람직하지만, 이 개수 또한 중요하지 않다. 2개의 직각 방사 방향 각각에 한 쌍의 센서를 제공하고 각 쌍을 차동적으로 작동시킴으로써, 센서 응답이 선형화될 수 있고, 온도 편차가 보정될 수 있고, 감도가 향상될 수 있다. 각각의 센서(31)는 작은 전자석과 같이 구성되고, 즉 상기 센서(31)는 자기 또는 비-자기(non-magnetic) 코어가 감겨진 코일을 포함한다. 각각의 센서(31)로부터 샤프트까지의 간격이 코일의 인덕턴스 변화, 또는 센서와 샤프트 또는 샤프트에 장착되는 환형 구조체 사이의 간격의 변화 로부터 발생되는 유도 전압을 측정함으로써 측정된다. 인덕턴스 효과나, 멤돌이 전류 효과(eddy current effect) 또는 이 양쪽 모두의 효과가 동시에 센싱을 위하여 사용된다.

도 6에는, 구동 모터 유닛(4)의 측단면도가 도시된다. 상기 구동 모터 유닛(4)은 로터(19)의 회전을 구동시키는 모터의 스테이터 부품(stator part)을 형성한다. 상기 구동 모터 유닛(4)은 전류 공급을 위하여 코일(402) 및 와이어(405)를 갖는 마그네틱 코어(403)를 포함한다. 상기 구동 모터 유닛(4)은 모터 하우징(406)에 의하여 제위치에 유지되는데, 상기 모터 하우징은 하부 레이디얼 베어링 유닛(5)과 협동한다. 이러한 구동 모터 유닛의 작동은 이 기술에 잘 알려져 있어므로 여기서 설명될 필요는 없다.

도 7은 하부 레이디얼 베어링 유닛(5)의 측단면도를 도시한다. 상기 하부 레이디얼 베어링 유닛(5)은 상부 레이디얼 베어링 유닛(2)과 유사하게 구성되고, 동일한 작동 원리를 가지고 있다. 그러나, 상기 유닛(5)에 의하여 보충되는 힘이 상기 유닛(2)의 힘보다 대체로 다소 작기 때문에, 상기 하부 레이디얼 베어링 유닛(5)은 상부 레이디얼 베어링 유닛(2)보다 다소 짧다. 8개의 코일(502)이 마그네틱 코어(503) 둘레에 감겨 있는데, 이 코일의 개수는 중요하지 않다.

도 8에는, 다중-센싱 유닛(8)이 장착되는, 하부 축방향 베어링 유닛(7)의 평면도가 도시된다. 도 8에는 하부 축방향 베어링 유닛(7)에 전류를 공급하는 와이어(7), 및 다중-센싱 유닛(8)에 포함되는 센서에 전기 접속을 제공하는 커넥터(connector)(807)가 도시되어 있다. 단면 Ⅸ-Ⅸ선이 일점 쇄선에 의하여 지시된 다.

도 9는 도 8의 단면 Ⅸ-Ⅸ선에서 보이는, 다중-센싱 유닛(8)과 함께 하부 축방향 베어링 유닛(7)의 개략적인 단면도를 도시한다. 하부 축방향 베어링 유닛(8)은 축방향 베어링의 스테이터의 부품으로서 작용한다. 하부 축방향 베어링 유닛(8)은, 코일 축이 회전축(101)과 일치하도록 수평으로 감겨진 코일(702)을 포함한다. 와이어(705)는 코일(702)에 전류를 공급하도록 축방향 베어링 유닛(7)의 외부로 연장된다. 상기 하부 축방향 베어링 유닛(8)은 수직 중앙 구멍을 가지고 있는데, 이 구멍에 다중-센싱 유닛(8)이 배치된다.

다중-센싱 유닛(8)은 도 10의 평면도에서 단독으로 도시된다. 단면 ⅩⅠ-ⅩⅠ선은 도 10에서 일점쇄선에 의하여 지시된다. 도 11은 도 10의 ⅩⅠ-ⅩⅠ선 단면도를 도시한다.

다중-센싱 유닛(8)은 하부 플레이트(806)에 의하여 지지되고, 동시에 하부 플레이트(806)의 외주에서 커넥터(807)에 전기 접속을 제공하는 인쇄회로기판(PCB)으로서 작용한다. 다중-센싱 유닛(8)은 샤프트(20)의 하단부를 잡기 위한 중앙 원통형 개구를 갖는 홀딩 부재(809)를 포함한다. 상기 홀딩 부재(809)는 다수의 센서를 수용할 수 있도록 구성된다. 본 실시예에서, 4개의 하부 레이디얼 변위 센서(81), 하나의 축방향 변위 센서(82), 2개의 각속도 센서(83), 및 하나의 기준 센서(84)가 홀딩 부재(809) 내에 수용된다. 모든 센서는 상기에서 설명된 전자석 타입이다. 하부 레이디얼 변위 센서(81)는 원통형 개구의 원주를 따라 배치되고, 개구의 원통형 표면을 향하고 있다. 그 작동 방식은 상부 레이디얼 변위 센서(31)의 작동 방식과 동일하다. 축방향 변위 센서(82)는 홀딩 부재(809)의 중앙 원통형 개구 바로 아래에 배치되고, 개구를 향하고 있다. 축방향 변위 센서(82)는, 레이디얼 변위 센서에 의한 레이디얼 변위의 감지와 동일한 방식으로 샤프트(20)의 축방향 변위를 감지한다. 레이디얼 센서와 함께 사용되면, 축방향 센서에 대하여 차동 작동을 가능하게 하는 한쌍 방식의 배치가 가능하지 않기 때문에, 고정 타깃을 향하는 기준(더미:dummy) 센서(84)가 축방향 변위 센서의 온도 편차 보정을 위하여 홀딩 부재(809) 내에 배치된다. 2개의 각속도 센서(83)는 홀딩 부재의 가장 자리 근처에 배치되고, 작동시 샤프트(20)에 장착되는 수평 디스크(21)를 향하도록 위치된다. 2개의 각속도 센서(83)는 수평 디스크(21)의 노치의 도움으로 회전 주파수 및 방향을 감지하는데 사용된다.

상기 자기 베어링 장치(1)의 가장 중요한 실시예가 도 1에 도시되어 있다. 자기 베어링 장치(1)의 하단부 근처에, 상부 및 하부 축방향 베어링 유닛(6, 7)이, 각각, 함께 축방향 베어링의 스테이터를 형성한다. 수평 디스크(21)와 함께, 축방향 베어링이 형성된다. 하부 레이디얼 베어링 유닛(5)은 제1 레이디얼 베어링의 스테이터를 제공한다. 샤프트(20)의 그 회전 상대부와 함께, 레이디얼 베어링이 형성된다. 다중-센싱 유닛(8)에 매립되는 하부 레이디얼 변위 센서(81)는 한 세트의 제1 레이디얼 변위 센서를 형성한다. 하부 레이디얼 변위 센서(81)는, 회전축에 직각 투영하여 본다면, 상부 축방향 베어링 유닛(6), 즉, 축방향 베어링의 부품이 제1 레이디얼 베어링과 제1 레이디얼 변위 센서 사이에 배치되도록 배치된다.

이에 비하여, 종래 기술에서는, 일반적으로 하부 레이디얼 변위 센서는, 베 어링을 제어하도록 이들 센서를 사용할 수 있기 이전에, 센서 신호를 수학적으로 변환시킬 필요성을 제거하거나 또는 최소화하기 위하여, 대응하는 하부 베어링에 가능한 한 근접되어 배치된다. 따라서 이 기술에서 대응하는 베어링으로부터 센서를 제거하는 것이 회피되었는데, 이는 이것이 제어의 불안정을 발생시킨다고 생각했기 때문이다.

본 발명은 상기 경우가 아니라는 것을 명백히 나타낸다. 실제로, 상부 및 하부 레이디얼 변위 센서(31, 81) 사이의 간격이 각각, 증가되기 때문에, 제어가 향상된다. 큰 간격은 전체-몸체 병진 운동을 틸팅(tilting) 운동과 구별하는 최적의 감도를 발생하여, 2가지 타입의 운동에 양호한 제어를 가능하게 한다. 이렇게 향상된 감도는 피드백 제어에 사용될 수 있기 이전에 센서로부터의 신호를 수학적으로 변환시킬 필요성에 대한 비용에 이르게 한다. 그러나, 이것은 개선된 제어 회로가 사용되면, 저비용으로 입수할 수 있기 때문에, 중요한 문제가 아니다. 이것은 디지털 회로가 사용되면 특히 사실이다. 또한 필요한 변환이 디지털 신호 프로세서로 간단하게 수행될 수 있다. 이와 같은 수학적 변환은 본 기술에 잘 알려져 있고 표준 선형 대수만을 포함한다.

하부 레이디얼 변위 센서를 축방향 변위 센서 및 각속도 센서의 바로 근처로 이동시킴으로써, 개념이 단순화된다: 본 발명의 구조에서는 3개의 별개의 센서 위치 대신에 2개만이 샤프트 축을 따라 존재한다. 상기 위치 중 하나는 상부(제2) 레이디얼 변위 센서가 배치되는 영역이고, 다른 하나의 위치는 모든 다른 센서를 반드시 포함한다. 각각의 위치의 센서에 이르는 와이어는 묶을 수 있으며, 따라서 케이블 작업이 간단하게 된다.

또한, 하부 레이디얼 변위 센서(81)를 베어링 장치의 하단으로 이동시킴으로써, 종래 기술에서 대부분 사용되지 않은 상태로 있는 하부 축방향 베어링 유닛(7)에 보이드 스페이스가 이용될 수 있다. 따라서, 제1 레이디얼 변위 센서(81)는 보이드 스페이스 내에 뻗어 있다.

신규한 구조에서, 다수의 센서 타입[레이디얼 변위 센서(81), 축방향 변위 센서(82), 각속도 센서(83), 기준 센서(84) 등]이 하나의 다중-센싱 유닛(8)에 통합된다. 이것은 제품을 상당히 간단하게 제조할 수 있게 한다. 또한, 전체 다중-센싱 유닛이 인쇄회로기판(PCB) 상에 장착되는 하나의 커넥터만을 필요로 하기 때문에, 케이블 작업이 더욱더 간단하게 된다.

하부 레이디얼 변위 센서(81)를, 상기 샤프트(20)와 상기 하부 축방향 베어링 유닛(7) 사이의, 하부 축방향 베어링의 보이드 내로 위치시킴으로써, 베어링 장치(1) 및 샤프트(20)가 종래 기술에서보다 더욱 짧은 길이로 구성될 수 있다. 또한 그 때문에 상기 장치 및 샤프트의 전체 질량이 감소된다. 샤프트의 감소된 질량 때문에, 베어링 및 드라이브 스테이터에서 더 작은 전자석이 사용될 수 있으며, 장치의 무게 및 크기를 추가로 감소시킨다. 또한 샤프트의 더 짧은 길이는 로터의 증가된 고유진동수에 이르게 하는데, 이것은 제어를 더욱 쉽게 만든다.

다른 실시예에서, 또한 본 발명은 상기 상부 센싱 유닛(3)에 매립된 제2(상부) 레이디얼 변위 센서(31)를 제2 활성 레이디얼 베어링 유닛(2)과 구동 모터 유닛(4) 사이에 배치하는 것이 가능하다는 것을 나타낸다. 이것은 상부 레이디얼 변 위 센서(31)를 구동 모터 코일(402)의 바로 근처에 이르게 한다.

이에 비하여, 종래 기술에서는, 일반적으로 상부 레이디얼 변위 센서는 베어링 장치의 상단에 또는 베어링 장치의 근처에 배치되며, 상단으로부터 하단으로 상부 레이디얼 베어링, 구동 모터 스테이터, 하부 레이디얼 베어링, 하부 레이디얼 변위 센서, 축방향 베어링, 및 축방향 변위 센서가 뒤따른다. 이러한 배치에 대한 명백한 이유가 있다: 상부 및 하부 레이디얼 변위 센서를 구동 모터 스테이터 코일로부터 멀리 위치시킴으로써, 구동 전류에 의한 센서의 교란이 최소화된다.

본 발명은, 센서가 구동 모터 코일에 근접될 때에도 이러한 교란이 제어를 방해하지 않는 것을 나타낸다. 전위 교란의 문제는 장점에 의하여 오히려 보상된다. 상부 레이디얼 변위 센서(31)를 구동 모터 스테이터 유닛(4) 다음에 위치시킴으로써, 상부 레이디얼 베어링 유닛(2)은 베어링 장치의 상단 근처까지 이동될 수 있다. 이것은 상기 장치의 길이를 전체적으로 증가시키지 않으면서, 상부와 하부 레이디얼 베어링 사이에 존재한다는 장점을 가지고 있다. 더 큰 지렛대 효과 때문에, 임의의 힘의 모멘트를 샤프트에 인가하는데 베어링에 더 작은 힘이 필요하게 된다. 하부 레이디얼 변위 센서(81)가 이미 베어링 장치의 바로 바닥에 이미 위치하기 때문에, 상부 및 하부 레이디얼 변위 센서(31, 81) 사이의 간격을, 각각 부득이하게 단축시키는 것이, 본 구조에 바람직하게 허용될 수 있으며, 따라서 감도가 상당히 손상되지 않는다.

상기의 설명에서, 모든 센서(31, 81, 82, 83, 84)는 자기 코어가 감겨진 작은 코일을 갖는, 전자석 타입인 것으로 이미 설명되었다. 물론, 다른 적당한 센서 가 사용될 수도 있다. 다른 센서 타입의 한가지 중요한 예가, 자기 베어링 장치의 더 감소된 크기에 이를 수 있으며, "다 방향으로 간격의 비접촉 측정용 장치"를 발명의 명칭으로 하는, 동일한 출원인의 유럽 특허 출원 번호 02 406 013.9에 공개되어 있다. 이 출원에서는, 강자성 또는 전도성 보디의 다 방향으로의 간격의 비접촉 측정용 장치가 공개되어 있다. 복수의 유도 부재가 제공되는데, 이 유도 부재 중 적어도 하나는 상기 보디 둘레에 위치된다. 다른 유도 부재는 상기 부재의 근처에 제공된다. 모든 이들 부재는 하나의 인쇄회로기판에 통합될 수 있다. 이러한 장치는 무선-주파수(radio-frequency)(rf) 전류를 상기 보디 둘레에 위치되는 유도 부재에 공급함으로써 작동된다. 상기 보디의 변위는 다른 유도 부재의 위치에서 rf 자장, 따라서 이들 부재의 유도된 rf 전압을 변화시킨다. 따라서, 하나의 인쇄회로기판과 함께, 여러 방향의 변위를 감지할 수 있는, 센서가 구성될 수 있다. 이러한 센서는 본 자기 베어링 장치, 특히 제1(하부) 또는 제2(상부) 레이디얼 변위 센서에 바람직하게 사용될 수 있다. 이러한 센서를 얇은 인쇄회로기판에 통합시킴으로써, 베어링 장치의 길이가 더욱더 감소될 수 있다.

본 발명은 자기 베어링 장치 및 이러한 자기 베어링 장치를 포함하는 진공 펌프, 특히 터보-몰레큘러 진공 펌프(TMP)에 이용될 수 있다.

Claims

회전축(101)을 중심으로 회전되는 로터(19)를 회전 가능하게 지지하는 자기 베어링 장치(magnetic bearing device)(1)에 있어서,

상기 자기 베어링 장치(1)는 제1 활성 레이디얼 베어링(active radial bearing)(5), 하나 이상의 제1 레이디얼 변위 센서(81), 및 축방향 베어링(6, 7)을 포함하고,

상기 축방향 베어링(6)의 적어도 일부는, 상기 회전축(101)에 직각 투영하여 본다면 상기 제1 활성 레이디얼 베어링(5)과 상기 제1 레이디얼 변위 센서(81) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 장치.
제1항에 있어서,

상기 자기 베어링 장치는 제2 활성 레이디얼 베어링(2)을 포함하고,

상기 제1 활성 레이디얼 베어링(5)은, 상기 회전축(101)에 직각 투영하여 본다면 상기 축방향 베어링(6, 7)과 상기 제2 활성 레이디얼 베어링(2) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 장치.
제2항에 있어서,

상기 자기 베어링 장치는 구동 모터(4) 및 제2 레이디얼 변위 센서(31)를 포함하고,

상기 구동 모터는, 상기 회전축(101)에 직각 투영하여 본다면 상기 제1 활성 레이디얼 베어링과 상기 제2 활성 레이디얼 베어링 사이에 배치되고,

상기 제2 레이디얼 변위 센서(31)는, 상기 회전축(101)에 직각 투영하여 본다면 상기 제2 활성 레이디얼 베어링(2)과 상기 구동 모터(4) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 장치.
제1 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 축방향 베어링(6, 7)은 보이드 스페이스(void space)를 제공하며,

상기 제1 레이디얼 변위 센서(81)는 상기 축방향 베어링(7)의 상기 보이드 스페이스 내에 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 장치.
제1 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 자기 베어링 장치는 하나 이상의 축방향 변위 센서(82)를 추가로 포함하고,

상기 제1 레이디얼 변위 센서(81)와 상기 축방향 변위 센서(82)는 하나의 다중-센싱 유닛(multiple-sensing unit)(8)에 통합되는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 장치.
제5항에 있어서,

상기 자기 베어링 장치는 하나 이상의 각속도 센서(83)를 추가로 포함하고,

상기 각속도 센서(83)는 다중-센싱 유닛(8)에 통합되는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 장치.
진공 펌프, 특히 터보-몰레큘러 진공 펌프(turbo-molecular vacuum pump)에 있어서,

상기 진공 펌프는 자기 베어링 장치(1) 및 상기 자기 베어링 장치(1)에 회전 가능하게 지지되는 로터(19)를 포함하고,

상기 자기 베어링 장치(1)는 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 자기 베어링 장치인 것을 특징으로 하는 진공 펌프.
펌프의 로터(19)의 특성을 결정하는, 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 자기 베어링 장치용 다중-센싱 유닛(8)에 있어서,

상기 다중-센싱 유닛은 홀딩 부재(holding member)(809) 및 상기 홀딩 부재에 장착되는 복수의 센서(81, 82, 83, 84)를 포함하고,

상기 센서(81, 82, 83, 84) 중 하나 이상은 레이디얼 변위 센서(81)이고, 상기 센서(81, 82, 83, 84) 중 하나 이상은 축방향 변위 센서(82)인 것을 특징으로 하는 다중-센싱 유닛(8).
제8항에 있어서,

상기 홀딩 부재(809)는, 상기 축방향 베어링(6)의 적어도 일부분이 상기 회 전축(101)에 직각 투영하여 본다면 상기 제1 활성 레이디얼 베어링(5)과 상기 다중-센싱 유닛(8) 사이에 배치되도록, 상기 자기 베어링 장치 내에 배치되도록 채택되는 것을 특징으로 하는 다중-센싱 유닛(8).
제8항 또는 제9항에 있어서,

상기 홀딩 부재(809)는, 상기 자기 베어링 장치의 축방향 베어링(6, 7)에 제공된 보이드 스페이스 내에 적어도 일부 뻗어 있도록, 상기 자기 베어링 장치 내에 배치되도록 채택되는 것을 특징으로 하는 다중-센싱 유닛(8).
제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 다중-센싱 유닛에 포함되는 상기 센서(81, 82, 83, 84) 중 하나 이상은 각속도 센서(83)인 것을 특징으로 하는 다중-센싱 유닛(8).