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JP4532783B2 - Magnetic bearing excitation circuit and turbo molecular pump device - Google Patents

Magnetic bearing excitation circuit and turbo molecular pump device Download PDF

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JP4532783B2
JP4532783B2 JP2001195917A JP2001195917A JP4532783B2 JP 4532783 B2 JP4532783 B2 JP 4532783B2 JP 2001195917 A JP2001195917 A JP 2001195917A JP 2001195917 A JP2001195917 A JP 2001195917A JP 4532783 B2 JP4532783 B2 JP 4532783B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気軸受励磁回路及びターボ分子ポンプ装置に係わり、特に、回路構成の簡易化によって装置全体の小型化、コスト低減、信頼性の向上が共に可能となる磁気軸受励磁回路及びターボ分子ポンプ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
磁気軸受は半導体製造工程で使用されるターボ分子ポンプ等の回転機器に使用される。ターボ分子ポンプの磁気軸受の構成例に基づき、従来の磁気軸受励磁回路について説明する。
【0003】
磁気軸受の構成例としてターボ分子ポンプの断面図を図10に示す。
図10において、ターボ分子ポンプは、ガスを排気するためのタービンブレードによる複数の回転翼101a、101b、101c…を多段に備えた回転体103を備える。
【0004】
この回転体103を軸承するために、上側ラジアル方向電磁石105a、下側ラジアル方向電磁石107aおよびアキシャル方向電磁石109aを配設することにより磁気軸受が構成されている。また、上側ラジアル方向センサ105b、下側ラジアル方向センサ107b、アキシャル方向センサ109bを備える。
【0005】
上側ラジアル方向電磁石105aおよび下側ラジアル方向電磁石107aは、それぞれの横断面図を示す図11のように構成された電磁石巻線により4個の電磁石が構成される。これらの4個の電磁石は、2個ずつ対向配置され、X軸方向およびY軸方向の2軸の磁気軸受を構成する。
【0006】
詳細には、隣接する2個のコア凸部にそれぞれ巻回された電磁石巻線111、111を1組として互いに逆極性に配置することにより1つの電磁石が形成される。この電磁石は、回転体103を挟んで対向するコア凸部の電磁石巻線113、113による電磁石と1つの対を構成し、それぞれが回転体103をX軸の正方向または負方向に吸引する。
【0007】
また、X軸と直交するY軸方向においては、2個の電磁石巻線115、115と、これに対向する2個の電磁石巻線117、117についても、上記同様に、Y軸方向について対向する電磁石として1つの対を構成する。
【0008】
アキシャル方向電磁石109a、109aは、その縦断面図を示す図12のように、回転体103のアーマチャ103aを挟む2つの電磁石巻線121、123により、1つの対として構成される。各電磁石巻線121、123による2個の電磁石109a、109aは、それぞれアーマチャ103aを回転軸線の正方向または負方向に吸引力を作用する。
【0009】
また、上側ラジアル方向センサ105b、下側ラジアル方向センサ107bは、上記電磁石105a、107aと対応するXY2軸に配置された4個のセンシングコイルからなり、回転体103の径方向変位を検出する。アキシャル方向センサ109bは回転体103の軸方向変位を検出する。これらセンサは、それぞれの検出信号を図示せぬ磁気軸受制御装置に送るように構成されている。
【0010】
これらのセンサ検出信号に基づき、磁気軸受制御装置がPID制御等により上側ラジアル方向電磁石105a、下側ラジアル方向電磁石107aおよびアキシャル方向電磁石109a、109aを構成する計10個の電磁石の吸引力を個々に調節することにより、回転体103を磁気浮上支持するように構成されている。
【0011】
つぎに、上述のように構成される磁気軸受の各電磁石を励磁駆動する磁気軸受励磁回路について説明する。電磁石巻線に流れる電流をスイッチング方式により制御する場合において、従来の磁気軸受励磁回路を図13に示す。
【0012】
図13において、1個の電磁石を構成する電磁石巻線111は、その両端にそれぞれトランジスタ131、131を介して電源133と接続され、同様に、電流回生用のダイオード135、135が電源133との間に介設されている。両トランジスタ131、131のゲートにはそれぞれにゲート駆動回路131a、131aが備えられ、電流制御回路137と接続されている。また、電磁石巻線111には電流検出回路139が介設され、電流制御回路137と接続されている。
【0013】
電流制御回路137は、電流指令と電流検出回路139による検出値とを比較してパルス幅を決め、ゲート駆動回路131aに送る。このゲート駆動回路131aは、トランジスタ131を介して電磁石巻線電流を調節することにより、電磁石巻線111が励磁調節される。
【0014】
このように、磁気軸受励磁回路は、1個の電磁石当り2個のトランジスタ131、131を要するので、2個の電磁石による1軸当りでは4個のトランジスタを要する。したがって、5軸構成の磁気軸受装置の励磁回路においては、総数20個のトランジスタ131とそれぞれに付帯するゲート駆動回路131a等を構成する多数の部材が必要となる。
【0015】
上記磁気軸受励磁回路の別の構成例として、1軸上に対向する2個の電磁石をまとめて励磁制御する例を図14に示す。図14において、2個の電磁石巻線111、113は直列して接続され、4個のトランジスタ131…によりブリッジ回路が構成されている。直列する電磁石巻線111、113には電流検出回路139が介設され、電流制御回路137と接続されている。2個の電磁石巻線111、113による2個の電磁石はバイアス磁界を発生する図示せぬ磁石を伴い、そのバイアスされた磁界の磁束密度を変化させることで正方向または負方向に吸引力を調節する。
【0016】
この構成例においても、1軸当り4個のトランジスタ131とこれに付帯する4個のゲート駆動回路131a等、多数の部材が必要となる。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように多数のトランジスタ等を有する励磁回路が組み込まれた磁気軸受制御装置は、その部品点数ゆえにコストが高いという問題がある。また、多数のトランジスタを要することから故障率が高く、かつ、小型化が困難という問題がある。
【0018】
特に、ターボ分子ポンプは半導体製造装置等に使用されるため、クリーンルームに設置される場合が多い。クリーンルームは単位床面積あたりの建設費が高いので、そこに使用されるターボ分子ポンプ装置にはポンプ本体と制御装置を一体化して小型化を望む要請が高まっているが、複雑な励磁回路を要するが故に、ポンプ本体に制御回路を組み込んだ一体化構造は実現に至っていない。
【0019】
このように、ターボ分子ポンプ装置における磁気軸受励磁回路は、磁気軸受制御装置を含む全体の小型化が強く要請されるとともに、制御装置の部品コストおよび信頼性の観点からも、部品点数の削減が待たれていた。
【0020】
本発明はこのような従来の課題に鑑みてなされたもので、回路構成の簡易化によって装置全体の小型化、コスト低減、信頼性の向上が共に可能となる磁気軸受励磁回路及びターボ分子ポンプ装置を提供することを目的とする。
【0021】
【課題を解決するための手段】
このため本発明(請求項1)は、電源から受ける電流を断接制御するスイッチング手段と、該スイッチング手段によって励磁制御される第1の電磁石巻線と、該第1の電磁石巻線とトランス結合され、かつ、回生方向に電流を導く回生手段を介設して誘導電流によって励磁される第2の電磁石巻線と、前記第1の電磁石巻線又は前記第2の電磁石巻線のいずれか一方の電流を検出する電流検出手段と、該電流検出手段による検出信号を受けて電磁石巻線の電流が指令の電流となるように前記スイッチング手段に指令する電流制御手段とを備えたことを特徴とする。
【0022】
スイッチング手段が介設された第1の電磁石巻線は、スイッチング手段の通電動作と対応して励磁される。スイッチング手段が通電停止すると、トランス結合の第2の電磁石巻線に回生方向に電力が誘導される。この回生電力により第2の電磁石巻線が第1の電磁石巻線の励磁と連続して励磁される。この繰り返しにおいて、電流制御手段は、電流検出手段により電磁石巻線電流の検出信号を受け、電磁石巻線電流が指令の電流となるようにスイッチング手段を調節する。
【0023】
このように、第1の電磁石巻線と第2の電磁石巻線をトランス結合し、その一方にスイッチング手段を接続して電力を供給し、他方に回生手段を接続して電力を回生するように構成することにより、1つのスイッチング手段によって第1の電磁石巻線と第2の電磁石巻線を交互に励磁動作させることができる。
したがって、トランジスタ等による単一のスイッチング手段により、磁気軸受励磁回路の簡易化が可能となる。
【0026】
さらに、本発明(請求項)は、前記スイッチング手段および前記回生手段の少なくとも一方にサージ吸収手段を備えたことを特徴とする。
【0027】
サージ吸収手段を設けることにより電子部品にかかる過大な電圧が緩和されるので、励磁回路の安定動作が可能となり、制御装置の耐久性の向上を図ることができる。
【0028】
さらに、本発明(請求項)のターボ分子ポンプ装置は、前記磁気軸受励磁回路と、該磁気軸受励磁回路による前記第1の電磁石巻線又は前記第2の電磁石巻線の励磁により回転翼が浮上支持されるターボ分子ポンプとを備えたことを特徴とする。
【0029】
磁気軸受励磁回路の簡易化により、磁気軸受励磁回路を含むターボ分子ポンプの制御装置全体を小型に構成することができる。
【0030】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。本発明の実施形態に係る磁気軸受励磁回路を図1に示す。なお、図13と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。
【0031】
図1において、2個の電磁石巻線1a、1bは、磁気軸受の1つの電磁石を二分割してトランス結合により構成されている。
電源133に対してトランジスタ131と電磁石巻線1aが直列に接続されている。このトランジスタ131の導通により、電磁石巻線1aが励磁される。トランジスタ131にはゲート駆動回路131aを備える。このゲート駆動回路131aは電流指令を受ける電流制御回路137に接続されている。
【0032】
また、電磁石巻線1aには電流検出のための電流検出回路139が設けられる。電流検出回路139はその電流検出信号を送るために電流制御回路137に接続されている。
電磁石巻線1bは、電磁石巻線1aとトランス結合され、電源側に電流を回生するダイオード135が直列に介設されている。
【0033】
つぎに、本発明の磁気軸受励磁回路の動作について説明する。
電流制御回路137は、電磁石巻線1aの励磁制御を行なうために電流検出回路139の検出値と指令値との差を算出し、その差に基づきスイッチングパルス信号を作成してゲート駆動回路131aに送出する。スイッチングパルス信号は、電流指令と電流検出回路139の電流検出値と搬送波から生成されるPWMパルス信号である。
【0034】
このスイッチングパルス信号がゲート駆動回路131aに送られると、ゲート駆動回路131aがゲート駆動信号をトランジスタ131のゲートに送る。トランジスタ131はこのゲート駆動信号に従いON/OFFを繰り返す。
【0035】
このトランジスタ131が導通動作すると電源133から電力が供給され、電磁石巻線1aが励磁される。また、トランジスタ131が切断動作すると、電磁石巻線1aとトランス結合された電磁石巻線1bに回生方向に誘導電流i2が発生し、この誘導電流i2により電磁石巻線1bが励磁される。
【0036】
電流制御回路137は、電流検出回路139の検出値に基づき、電磁石巻線電流i1が電流指令と一致するようにスイッチングパルス信号のパルス幅を調節する。このスイッチングパルス信号により、電磁石巻線に流れる電流i1、i2をスイッチング方式により制御することができる。
【0037】
つぎに、電磁石巻線の磁気特性について説明する。電磁石巻線の電流と磁束密度の関係を図2に示す。
図2において、電磁石巻線1aは、スイッチングパルス信号を受けるトランジスタ131が導通動作すると電流i1により励磁される。
【0038】
電磁石巻線1bは、トランス結合された電磁石巻線1aによって誘導された回生方向の電流i2により励磁される。したがって、電磁石巻線1aと電磁石巻線1bが交互に励磁され、電磁石巻線1aと電磁石巻線1bが時分割に駆動されることにより、コアに流れる磁束密度Bが総合して連続的な励磁が可能となる。
【0039】
電流i1の波形は電磁石巻線1aの巻数N1により、また、電流i2の波形は電磁石巻線1bの巻数N2により決定される。したがって、これら両巻線によって電磁石特性を適宜設定することができる。
【0040】
このように、本発明の磁気軸受励磁回路は、電磁石巻線1aと電磁石巻線1bとによって構成される電磁石が、単一のトランジスタ131による電力の供給とその後の回生とにより一体的に励磁駆動されることから、従来の励磁回路と比べると、必要な部品点数が半減される。同様に、ゲート駆動回路131aおよび対応する電流制御回路137を含め、部品点数を半減することができる。
【0041】
また、トランジスタ131の切断時においては、電磁石巻線1aとトランス結合された電磁石巻線1bがダイオード135による回生方向の電流によって励磁されることから半導体における電力消費が半減する。さらに、それに伴って発熱が低減されることから、トランジスタ131とダイオード135のヒートシンクの容量も半減することができる。
【0042】
したがって、本発明の磁気軸受励磁回路により、部品点数の低減に伴うコストの低減および信頼性の向上とともに、磁気軸受制御装置の小型化が可能となる。その結果、ターボ分子ポンプ等の回転機器本体に磁気軸受制御装置を一体構成とすることが可能となる。
【0043】
つぎに、本発明におけるラジアル方向電磁石の電磁石巻線の具体的な構成態様を説明する。本発明におけるラジアル方向電磁石の電磁石巻線の横断面図を図3に示す。
図3において、電磁石コア11の各コア凸部にはトランス結合する2個の電磁石巻線を設ける。隣接するコア凸部13、13を1組としてトランス結合の一方の電磁石巻線13a、13aを互いに逆極性に配置接続し、また、他方の電磁石巻線13b、13bも互いに逆極性に配置接続する。このコア凸部13、13により、トランス結合された2系統の電磁石巻線13a、13bによる二分割構成の電磁石が形成される。
【0044】
このコア凸部13、13に係る二分割構成の電磁石と同様に、回転体103を挟んで対向するコア凸部15、15について二分割構成の電磁石を形成する。これら対向して形成された両電磁石は1つの対を構成し、それぞれが回転体103のX軸方向の正方向または負方向に吸引力を作用する。
【0045】
その直交方向において互いに対向するコア凸部17、17とコア凸部19、19についても同様に構成することにより1つの対を構成し、それぞれが回転体103のY軸方向の正方向または負方向に吸引力を作用する。
【0046】
したがって、電磁石コア11とトランス結合する2個の電磁石巻線とにより、X軸方向およびY軸方向の2軸のラジアル磁気軸受を構成することができる。
【0047】
つぎに、本発明におけるアキシャル方向電磁石の電磁石巻線の具体的な構成態様を説明する。アキシャル方向電磁石の電磁石巻線の縦断面図を図4に示す。
図4において、2つの電磁石コア21、23は、回転体103のアーマチャ103aを挟んで周状に対向配置されている。上側の電磁石コア21についてトランス結合された電磁石巻線21a、21bを配置接続することにより二分割構成の電磁石が形成される。下側の電磁石コア23についても同様にトランス結合された電磁石巻線23a、23bを配置接続することにより二分割構成の電磁石が形成される。
【0048】
上側と下側のそれぞれに形成される二分割構成の電磁石は、両方で1つの対を構成する。この上下の電磁石により、アーマチャ103aを軸線の正方向または負方向に吸引するアキシャル方向磁気軸受を構成することができる。
【0049】
つぎに、電流検出回路139の具体的な構成について説明する。電流検出抵抗による電流検出回路の構成例を図5(a)およびホールセンサ式電流センサによる電流検出回路の構成例を図5(b)に示す。なお、図1と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。
【0050】
図5(a)において、トランジスタ131のソースに介設した電流検出抵抗31と、その電圧降下を取り出す電圧検出器31aとにより電流検出回路を構成することができる。
【0051】
また、図5(b)において、トランジスタ131のソース接続線をホールセンサ式電流センサ33の穴に通して構成することにより、電流検出回路を構成することができる。いずれも、最小限の部品構成で電磁石巻線1aの電流i1の検出が可能となる。
【0052】
つぎに、磁気軸受励磁回路の別の電流検出方法について説明する。電流検出回路の別の電流検出回路構成を図6に示す。なお、図1と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。
図6において、電流検出回路41は、電磁石巻線1aおよび電磁石巻線1bのそれぞれの電流i1、i2を一括して検出するように構成されている。したがって、電磁石の励磁電流を連続して検出することができる。以上により、一括検出による簡易な構成を確保しつつ、回生電流についても制御可能となるので、精度の高い励磁制御が可能となる。
【0053】
この場合における電流検出回路構成について第1の具体例を図7に示す。なお、図1と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。
図7において、電磁石巻線1aおよび電磁石巻線1bと直列に、電流検出抵抗43、45を介設してそれぞれの電圧降下を取り出す差動電圧検出器47を接続して構成されている。
【0054】
この場合、電磁石巻線1bの電流i2は電磁石巻線1aの電流i1と逆方向であることから、差動電圧検出器47の反転入力側に入力するように構成する。この電圧検出器47により、逆方向を含む2系統の電流i1、i2について簡易な構成による検出処理が可能となる。また、回生電流についても制御可能となるので、精度の高い励磁制御が可能となる。
【0055】
つぎに、電流検出回路構成について第2の具体例を図8(a)に、また、ホールセンサ式電流センサの使用態様を図8(b)に示す。なお、図1と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。
図8(a)において、電磁石巻線1aおよび電磁石巻線1bの接続線をホールセンサ式電流センサ33の穴に通して構成することにより、電流検出回路を構成することができる。
【0056】
ただし、電磁石巻線1bの電流i2は電磁石巻線1aの電流i1と逆方向であることから、電磁石巻線1bの接続線を逆方向に入力する。すなわち、図8(b)に示すように、電磁石巻線1aおよび電磁石巻線1bの接続線の電流i1、i2の方向が揃うように入力することにより、前記同様に、逆方向を含む2系統の電流i1、i2について簡易な構成による検出処理および回生電流についての制御が可能となる。
【0057】
つぎに、本発明の磁気軸受励磁回路のサージ処理構成例について説明する。磁気軸受励磁回路のサージ処理の構成例を図9に示す。なお、図1と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。
図9において、トランジスタ131およびダイオード135のそれぞれに並列して抵抗器51と蓄電器53を直列したサージ吸収回路が接続されている。
【0058】
これらサージ吸収回路は、トランジスタ131の切断時に生じる過大なスパイク電圧を緩和する。したがって、トランジスタ131およびダイオード135を過大電圧から保護することができるので、制御装置の安定動作が可能となる。
【0059】
なお、本発明の磁気軸受励磁回路におけるトランジスタ131はFETに限るものでなく、サイリスタ等の一般のスイッチングデバイスを広く適用することができる。
【0060】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、第1の電磁石巻線と第2の電磁石巻線をトランス結合し、その一方にスイッチング手段を接続して電力を供給し、他方に回生手段を接続して電力を回生するように構成したので、1つのスイッチング手段によって第1の電磁石巻線と第2の電磁石巻線を交互に励磁動作させることができる。
したがって、本発明の磁気軸受励磁回路により、部品点数の低減に伴うコストの低減および信頼性の向上とともに、磁気軸受制御装置の小型化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の磁気軸受励磁回路
【図2】 本発明の磁気軸受励磁回路の特性図
【図3】 本発明におけるラジアル方向電磁石の電磁石巻線の横断面図
【図4】 本発明に係るアキシャル方向磁気軸受の縦断面図
【図5】 本発明における電流検出回路の構成例(a)およびホールセンサ式電流センサの使用態様(b)
【図6】 本発明における別の電流検出回路構成例
【図7】 本発明における電流検出回路構成の第1の具体例
【図8】 本発明における電流検出回路構成の第2の具体例(a)およびホールセンサ式電流センサの使用態様(b)
【図9】 本発明における磁気軸受励磁回路のサージ処理の構成例
【図10】 ターボ分子ポンプの断面図
【図11】 従来のラジアル磁気軸受の横断面図
【図12】 従来のアキシャル方向磁気軸受の縦断面図
【図13】 従来の磁気軸受励磁回路
【図14】 従来の他の磁気軸受励磁回路
【符号の説明】
1a、1b 電磁石巻線
31、43、45 電流検出抵抗(電流検出手段)
31a 電圧検出器(電流検出手段)
33、41、139 電流検出回路(電流検出手段)
47 差動電圧検出器(電流検出手段)
51 抵抗器(サージ吸収手段)
53 蓄電器(サージ吸収手段)
131 トランジスタ(スイッチング手段)
131a ゲート駆動回路(スイッチング手段)
135 ダイオード(回生手段)
137 電流制御回路(電流制御手段)
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetic bearing excitation circuit and a turbo molecular pump device, and in particular, a magnetic bearing excitation circuit and a turbo molecular pump device that can both reduce the size of the entire device, reduce costs, and improve reliability by simplifying the circuit configuration. About.
[0002]
[Prior art]
Magnetic bearings are used in rotating equipment such as turbomolecular pumps used in semiconductor manufacturing processes. A conventional magnetic bearing excitation circuit will be described based on a configuration example of a magnetic bearing of a turbo molecular pump.
[0003]
FIG. 10 shows a cross-sectional view of a turbo molecular pump as a configuration example of the magnetic bearing.
10, the turbo molecular pump includes a rotating body 103 including a plurality of rotating blades 101a, 101b, 101c,... By turbine blades for exhausting gas.
[0004]
In order to support the rotating body 103, a magnetic bearing is configured by disposing an upper radial electromagnet 105a, a lower radial electromagnet 107a, and an axial electromagnet 109a. Further, an upper radial direction sensor 105b, a lower radial direction sensor 107b, and an axial direction sensor 109b are provided.
[0005]
The upper radial direction electromagnet 105a and the lower radial direction electromagnet 107a are composed of four electromagnets by the electromagnet windings configured as shown in FIG. These four electromagnets are arranged so as to face each other, and constitute a biaxial magnetic bearing in the X-axis direction and the Y-axis direction.
[0006]
Specifically, one electromagnet is formed by arranging electromagnet windings 111 and 111 wound around two adjacent core convex portions as a pair and having opposite polarities. This electromagnet constitutes one pair with the electromagnets 113 and 113 of the core convex portions facing each other with the rotating body 103 interposed therebetween, and each attracts the rotating body 103 in the positive or negative direction of the X axis.
[0007]
Further, in the Y-axis direction orthogonal to the X-axis, the two electromagnet windings 115 and 115 and the two electromagnet windings 117 and 117 facing the same are also opposed in the Y-axis direction as described above. One pair is configured as an electromagnet.
[0008]
The axial direction electromagnets 109a and 109a are configured as one pair by two electromagnet windings 121 and 123 sandwiching the armature 103a of the rotating body 103 as shown in FIG. The two electromagnets 109a and 109a formed by the electromagnet windings 121 and 123 act to attract the armature 103a in the positive or negative direction of the rotation axis.
[0009]
Further, the upper radial direction sensor 105b and the lower radial direction sensor 107b are composed of four sensing coils arranged on the XY2 axes corresponding to the electromagnets 105a and 107a, and detect the radial displacement of the rotating body 103. The axial direction sensor 109b detects the axial displacement of the rotating body 103. These sensors are configured to send respective detection signals to a magnetic bearing control device (not shown).
[0010]
Based on these sensor detection signals, the magnetic bearing control device individually applies the attraction force of a total of ten electromagnets constituting the upper radial electromagnet 105a, the lower radial electromagnet 107a, and the axial electromagnets 109a and 109a by PID control or the like. By adjusting, the rotating body 103 is configured to support magnetic levitation.
[0011]
Next, a magnetic bearing excitation circuit for exciting and driving the electromagnets of the magnetic bearing configured as described above will be described. FIG. 13 shows a conventional magnetic bearing excitation circuit when the current flowing in the electromagnet winding is controlled by a switching method.
[0012]
In FIG. 13, an electromagnet winding 111 constituting one electromagnet is connected to a power source 133 at both ends thereof via transistors 131 and 131, respectively. Similarly, diodes 135 and 135 for current regeneration are connected to the power source 133. It is interposed between. Gates of both transistors 131 and 131 are provided with gate drive circuits 131a and 131a, respectively, and are connected to a current control circuit 137. In addition, a current detection circuit 139 is interposed in the electromagnet winding 111 and is connected to the current control circuit 137.
[0013]
The current control circuit 137 determines the pulse width by comparing the current command with the value detected by the current detection circuit 139, and sends the pulse width to the gate drive circuit 131a. The gate driving circuit 131a adjusts the excitation of the electromagnet winding 111 by adjusting the electromagnet winding current via the transistor 131.
[0014]
Thus, since the magnetic bearing excitation circuit requires two transistors 131 and 131 per electromagnet, it requires four transistors per one axis by two electromagnets. Therefore, in the excitation circuit of the magnetic bearing device having the five-axis configuration, a large number of members constituting the total number of transistors 131 and the gate driving circuit 131a attached to each of the transistors 131 are required.
[0015]
As another configuration example of the magnetic bearing excitation circuit, FIG. 14 shows an example in which two electromagnets facing on one axis are collectively controlled. 14, two electromagnet windings 111 and 113 are connected in series, and a bridge circuit is constituted by four transistors 131. A current detection circuit 139 is interposed in the electromagnet windings 111 and 113 connected in series, and is connected to the current control circuit 137. The two electromagnets formed by the two electromagnet windings 111 and 113 are accompanied by a magnet (not shown) that generates a bias magnetic field, and the attractive force is adjusted in the positive direction or the negative direction by changing the magnetic flux density of the biased magnetic field. To do.
[0016]
Also in this configuration example, a large number of members such as four transistors 131 per axis and four gate driving circuits 131a attached thereto are required.
[0017]
[Problems to be solved by the invention]
However, the magnetic bearing control device in which the excitation circuit having a large number of transistors and the like is incorporated has a problem that the cost is high due to the number of components. Further, since a large number of transistors are required, there are problems that the failure rate is high and miniaturization is difficult.
[0018]
In particular, since the turbo molecular pump is used in a semiconductor manufacturing apparatus or the like, it is often installed in a clean room. Since the construction cost per unit floor area is high in a clean room, there is an increasing demand for miniaturization by integrating the pump body and control unit for the turbo molecular pump device used there, but it requires a complicated excitation circuit Therefore, an integrated structure in which a control circuit is incorporated in the pump body has not been realized.
[0019]
As described above, the magnetic bearing excitation circuit in the turbo molecular pump device is strongly required to be downsized as a whole including the magnetic bearing control device, and the number of components can be reduced from the viewpoint of the component cost and reliability of the control device. I was waiting.
[0020]
The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and a magnetic bearing excitation circuit and a turbo molecular pump device that can both reduce the size of the entire device, reduce costs, and improve reliability by simplifying the circuit configuration. The purpose is to provide.
[0021]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, the present invention (Claim 1) includes a switching means for controlling connection / disconnection of a current received from a power supply, a first electromagnet winding controlled to be excited by the switching means, and a transformer coupling with the first electromagnet winding. It is, and, a second electromagnet windings to be excited by the induced current is interposed a regeneration means for directing a current in the regenerative direction, one of the first electromagnet winding or the second electromagnet winding Meanwhile And a current control means for instructing the switching means to receive a detection signal from the current detection means so that the current of the electromagnet winding becomes a command current. To do.
[0022]
The first electromagnet winding provided with the switching means is excited in correspondence with the energization operation of the switching means. When the switching means stops energization, power is induced in the regeneration direction in the second electromagnet winding coupled to the transformer. With this regenerative power, the second electromagnet winding is excited continuously with the excitation of the first electromagnet winding. In this repetition, the current control means receives the electromagnet winding current detection signal from the current detection means, and adjusts the switching means so that the electromagnet winding current becomes the command current.
[0023]
In this way, the first electromagnet winding and the second electromagnet winding are transformer-coupled, the switching means is connected to one of them to supply power, and the regenerative means is connected to the other to regenerate power. By configuring, the first electromagnet winding and the second electromagnet winding can be alternately excited by one switching means.
Therefore, the magnetic bearing excitation circuit can be simplified by a single switching means such as a transistor.
[0026]
Furthermore, the present invention (Claim 2 ) is characterized in that at least one of the switching means and the regeneration means is provided with a surge absorbing means.
[0027]
By providing the surge absorbing means, an excessive voltage applied to the electronic component is relieved, so that the excitation circuit can be stably operated and the durability of the control device can be improved.
[0028]
Further, in the turbo molecular pump device of the present invention (claim 3 ), the rotor blades are excited by the magnetic bearing excitation circuit and the excitation of the first electromagnet winding or the second electromagnet winding by the magnetic bearing excitation circuit. And a turbo molecular pump supported by levitation.
[0029]
By simplifying the magnetic bearing excitation circuit, the entire turbo molecular pump control device including the magnetic bearing excitation circuit can be made compact.
[0030]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below. A magnetic bearing excitation circuit according to an embodiment of the present invention is shown in FIG. Note that the same elements as those in FIG. 13 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
[0031]
In FIG. 1, two electromagnet windings 1a and 1b are constituted by transformer coupling by dividing one electromagnet of a magnetic bearing into two.
The transistor 131 and the electromagnet winding 1a are connected in series to the power supply 133. The conduction of the transistor 131 excites the electromagnet winding 1a. The transistor 131 includes a gate drive circuit 131a. The gate drive circuit 131a is connected to a current control circuit 137 that receives a current command.
[0032]
The electromagnet winding 1a is provided with a current detection circuit 139 for current detection. The current detection circuit 139 is connected to the current control circuit 137 for sending the current detection signal.
The electromagnet winding 1b is transformer-coupled to the electromagnet winding 1a, and a diode 135 for regenerating current is interposed in series on the power supply side.
[0033]
Next, the operation of the magnetic bearing excitation circuit of the present invention will be described.
The current control circuit 137 calculates the difference between the detected value of the current detection circuit 139 and the command value in order to perform excitation control of the electromagnet winding 1a, creates a switching pulse signal based on the difference, and sends it to the gate drive circuit 131a. Send it out. The switching pulse signal is a PWM pulse signal generated from the current command, the current detection value of the current detection circuit 139, and the carrier wave.
[0034]
When this switching pulse signal is sent to the gate drive circuit 131a, the gate drive circuit 131a sends the gate drive signal to the gate of the transistor 131. The transistor 131 repeats ON / OFF according to this gate drive signal.
[0035]
When this transistor 131 conducts, power is supplied from the power supply 133, and the electromagnet winding 1a is excited. When the transistor 131 is cut off, an induced current i2 is generated in the regenerative direction in the electromagnet winding 1b that is transformer-coupled to the electromagnet winding 1a, and the electromagnet winding 1b is excited by the induced current i2.
[0036]
The current control circuit 137 adjusts the pulse width of the switching pulse signal based on the detection value of the current detection circuit 139 so that the electromagnet winding current i1 matches the current command. With this switching pulse signal, the currents i1 and i2 flowing through the electromagnet winding can be controlled by the switching method.
[0037]
Next, the magnetic characteristics of the electromagnet winding will be described. FIG. 2 shows the relationship between the current of the electromagnetic winding and the magnetic flux density.
In FIG. 2, the electromagnet winding 1a is excited by the current i1 when the transistor 131 receiving the switching pulse signal conducts.
[0038]
The electromagnet winding 1b is excited by a current i2 in the regeneration direction induced by the transformer-coupled electromagnet winding 1a. Therefore, the electromagnet winding 1a and the electromagnet winding 1b are alternately excited, and the electromagnet winding 1a and the electromagnet winding 1b are driven in a time-sharing manner so that the magnetic flux density B flowing through the core is integrated continuously. Is possible.
[0039]
The waveform of the current i1 is determined by the number of turns N1 of the electromagnet winding 1a, and the waveform of the current i2 is determined by the number of turns N2 of the electromagnet winding 1b. Therefore, the electromagnet characteristics can be appropriately set by these both windings.
[0040]
As described above, in the magnetic bearing excitation circuit of the present invention, the electromagnet constituted by the electromagnet winding 1a and the electromagnet winding 1b is integrally driven by the power supply by the single transistor 131 and the subsequent regeneration. Therefore, the number of necessary parts is halved compared with the conventional excitation circuit. Similarly, the number of parts including the gate drive circuit 131a and the corresponding current control circuit 137 can be halved.
[0041]
When the transistor 131 is disconnected, the electromagnet winding 1b that is transformer-coupled with the electromagnet winding 1a is excited by the current in the regenerative direction by the diode 135, so that the power consumption in the semiconductor is halved. Furthermore, since heat generation is reduced accordingly, the heat sink capacities of the transistor 131 and the diode 135 can be reduced by half.
[0042]
Therefore, the magnetic bearing excitation circuit of the present invention makes it possible to reduce the cost associated with the reduction in the number of parts, improve the reliability, and reduce the size of the magnetic bearing control device. As a result, the magnetic bearing control device can be integrated with the rotating device main body such as a turbo molecular pump.
[0043]
Next, a specific configuration aspect of the electromagnet winding of the radial direction electromagnet in the present invention will be described. FIG. 3 shows a cross-sectional view of the electromagnet winding of the radial electromagnet in the present invention.
In FIG. 3, two electromagnet windings that are transformer-coupled are provided on each core convex portion of the electromagnet core 11. Adjacent core protrusions 13 and 13 are paired and one transformer-coupled electromagnet windings 13a and 13a are arranged and connected in opposite polarities, and the other electromagnet windings 13b and 13b are arranged and connected in opposite polarities. . The core convex parts 13 and 13 form a two-part electromagnet composed of two transformer-coupled electromagnet windings 13a and 13b.
[0044]
Similarly to the electromagnet having the two-divided configuration related to the core convex portions 13 and 13, the electromagnet having the two-divided configuration is formed for the core convex portions 15 and 15 facing each other with the rotating body 103 interposed therebetween. The two electromagnets formed to face each other constitute a pair, and each acts an attractive force in the positive or negative direction of the rotating body 103 in the X-axis direction.
[0045]
The core convex portions 17 and 17 and the core convex portions 19 and 19 that face each other in the orthogonal direction are configured in the same manner to form one pair, each of which is a positive direction or a negative direction in the Y-axis direction of the rotating body 103. Acts on the suction force.
[0046]
Therefore, a two-axis radial magnetic bearing in the X-axis direction and the Y-axis direction can be configured by the two electromagnet windings that are transformer-coupled to the electromagnet core 11.
[0047]
Next, a specific configuration aspect of the electromagnet winding of the axial direction electromagnet in the present invention will be described. FIG. 4 shows a longitudinal sectional view of the electromagnet winding of the axial direction electromagnet.
In FIG. 4, the two electromagnet cores 21 and 23 are disposed opposite to each other in a circumferential shape with the armature 103 a of the rotating body 103 interposed therebetween. By arranging and connecting the electromagnet windings 21a and 21b that are transformer-coupled with respect to the upper electromagnet core 21, an electromagnet having a two-part configuration is formed. Similarly for the lower electromagnet core 23, the electromagnets 23a and 23b, which are transformer-coupled, are arranged and connected to form a two-part electromagnet.
[0048]
The electromagnets of the two-part configuration formed on each of the upper side and the lower side constitute one pair. The upper and lower electromagnets can constitute an axial magnetic bearing that attracts the armature 103a in the positive or negative direction of the axis.
[0049]
Next, a specific configuration of the current detection circuit 139 will be described. FIG. 5A shows a configuration example of a current detection circuit using a current detection resistor, and FIG. 5B shows a configuration example of a current detection circuit using a Hall sensor type current sensor. Note that the same elements as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
[0050]
In FIG. 5A, a current detection circuit can be configured by a current detection resistor 31 provided at the source of the transistor 131 and a voltage detector 31a for extracting the voltage drop.
[0051]
In FIG. 5B, the current detection circuit can be configured by passing the source connection line of the transistor 131 through the hole of the Hall sensor type current sensor 33. In either case, it is possible to detect the current i1 of the electromagnet winding 1a with a minimum component configuration.
[0052]
Next, another current detection method of the magnetic bearing excitation circuit will be described. FIG. 6 shows another current detection circuit configuration of the current detection circuit. Note that the same elements as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
In FIG. 6, the current detection circuit 41 is configured to collectively detect the currents i1 and i2 of the electromagnet winding 1a and the electromagnet winding 1b. Therefore, the exciting current of the electromagnet can be detected continuously. As described above, it is possible to control the regenerative current while securing a simple configuration based on collective detection, so that excitation control with high accuracy is possible.
[0053]
FIG. 7 shows a first specific example of the current detection circuit configuration in this case. Note that the same elements as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
In FIG. 7, a differential voltage detector 47 is connected in series with the electromagnet winding 1a and the electromagnet winding 1b through current detection resistors 43 and 45 to extract respective voltage drops.
[0054]
In this case, since the current i2 of the electromagnet winding 1b is in the opposite direction to the current i1 of the electromagnet winding 1a, it is configured to be input to the inverting input side of the differential voltage detector 47. This voltage detector 47 enables detection processing with a simple configuration for the two systems of currents i1 and i2 including the opposite directions. In addition, since the regenerative current can be controlled, highly accurate excitation control can be performed.
[0055]
Next, FIG. 8A shows a second specific example of the current detection circuit configuration, and FIG. 8B shows how the Hall sensor type current sensor is used. Note that the same elements as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
In FIG. 8A, the current detection circuit can be configured by passing the connection lines of the electromagnet winding 1a and the electromagnet winding 1b through the holes of the hall sensor type current sensor 33.
[0056]
However, since the current i2 of the electromagnet winding 1b is in the reverse direction to the current i1 of the electromagnet winding 1a, the connection line of the electromagnet winding 1b is input in the reverse direction. That is, as shown in FIG. 8 (b), by inputting so that the directions of the currents i1 and i2 of the connection lines of the electromagnet winding 1a and the electromagnet winding 1b are aligned, two systems including the reverse direction as described above. The currents i1 and i2 can be detected with a simple configuration and the regenerative current can be controlled.
[0057]
Next, a surge processing configuration example of the magnetic bearing excitation circuit of the present invention will be described. A configuration example of surge processing of the magnetic bearing excitation circuit is shown in FIG. Note that the same elements as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
In FIG. 9, a surge absorption circuit in which a resistor 51 and a capacitor 53 are connected in series is connected in parallel with each of a transistor 131 and a diode 135.
[0058]
These surge absorption circuits alleviate an excessive spike voltage generated when the transistor 131 is disconnected. Therefore, since the transistor 131 and the diode 135 can be protected from an excessive voltage, a stable operation of the control device is possible.
[0059]
The transistor 131 in the magnetic bearing excitation circuit of the present invention is not limited to the FET, and general switching devices such as thyristors can be widely applied.
[0060]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the first electromagnet winding and the second electromagnet winding are transformer-coupled, switching means is connected to one of them to supply power, and regenerative means is connected to the other. Therefore, the first electromagnet winding and the second electromagnet winding can be alternately excited by one switching means.
Therefore, the magnetic bearing excitation circuit of the present invention makes it possible to reduce the cost associated with the reduction in the number of parts, improve the reliability, and reduce the size of the magnetic bearing control device.
[Brief description of the drawings]
1 is a magnetic bearing excitation circuit of the present invention. FIG. 2 is a characteristic diagram of a magnetic bearing excitation circuit of the present invention. FIG. 3 is a cross-sectional view of an electromagnetic winding of a radial direction electromagnet in the present invention. FIG. 5 is a configuration example (a) of a current detection circuit and a usage mode (b) of a Hall sensor type current sensor in the present invention.
6 is another current detection circuit configuration example according to the present invention. FIG. 7 is a first specific example of the current detection circuit configuration according to the present invention. FIG. 8 is a second specific example (a of the current detection circuit configuration according to the present invention. ) And usage mode of Hall sensor type current sensor (b)
9 is a configuration example of surge processing of a magnetic bearing excitation circuit according to the present invention. FIG. 10 is a cross-sectional view of a turbo molecular pump. FIG. 11 is a cross-sectional view of a conventional radial magnetic bearing. [Fig. 13] Conventional magnetic bearing excitation circuit [Fig. 14] Other conventional magnetic bearing excitation circuit [Explanation of symbols]
1a, 1b Electromagnetic winding 31, 43, 45 Current detection resistor (current detection means)
31a Voltage detector (current detection means)
33, 41, 139 Current detection circuit (current detection means)
47 Differential voltage detector (current detection means)
51 Resistor (Surge absorbing means)
53 Battery (Surge absorption means)
131 transistor (switching means)
131a Gate drive circuit (switching means)
135 Diode (regenerative means)
137 Current control circuit (current control means)

Claims (3)

電源から受ける電流を断接制御するスイッチング手段と、
該スイッチング手段によって励磁制御される第1の電磁石巻線と、
該第1の電磁石巻線とトランス結合され、かつ、回生方向に電流を導く回生手段を介設して誘導電流によって励磁される第2の電磁石巻線と、
前記第1の電磁石巻線又は前記第2の電磁石巻線のいずれか一方の電流を検出する電流検出手段と、該電流検出手段による検出信号を受けて電磁石巻線の電流が指令の電流となるように前記スイッチング手段に指令する電流制御手段とを備えたことを特徴とする磁気軸受励磁回路。
Switching means for controlling connection / disconnection of the current received from the power source;
A first electromagnet winding that is excited and controlled by the switching means;
A second electromagnet winding which is transformer-coupled to the first electromagnet winding and is excited by an induced current through a regenerative means for guiding a current in a regenerative direction;
Current detection means for detecting the current of either the first electromagnet winding or the second electromagnet winding, and the current of the electromagnet winding becomes a command current upon receiving a detection signal from the current detection means A magnetic bearing excitation circuit comprising: current control means for commanding the switching means.
前記スイッチング手段および前記回生手段の少なくとも一方にサージ吸収手段を備えたことを特徴とする請求項1記載の磁気軸受励磁回路。Said switching means and magnetic bearing exciting circuit of claim 1 Symbol mounting characterized by comprising a surge absorption means to at least one of said regeneration means. 請求項1〜のいずれか1項に記載の磁気軸受励磁回路と、該磁気軸受励磁回路による前記第1の電磁石巻線又は前記第2の電磁石巻線の励磁により回転翼が浮上支持されるターボ分子ポンプとを備えたことを特徴とするターボ分子ポンプ装置。The rotor blade is levitated and supported by the magnetic bearing excitation circuit according to any one of claims 1 to 2 and excitation of the first electromagnet winding or the second electromagnet winding by the magnetic bearing excitation circuit. A turbomolecular pump device comprising a turbomolecular pump.
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