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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-01-24
(54)【発明の名称】回転機械用の磁気軸受、その電力供給方法及び回転機械
(51)【国際特許分類】
F16C 32/04 20060101AFI20240117BHJP
F04D 19/04 20060101ALI20240117BHJP
【ＦＩ】
F16C32/04 A
F04D19/04 A
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023543111
(86)(22)【出願日】2022-01-18
(85)【翻訳文提出日】2023-09-13
(86)【国際出願番号】 EP2022051037
(87)【国際公開番号】W WO2022157158
(87)【国際公開日】2022-07-28
(31)【優先権主張番号】2100469
(32)【優先日】2021-01-19
(33)【優先権主張国・地域又は機関】FR
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】511148259
【氏名又は名称】ファイファー バキユーム
(74)【代理人】
【識別番号】110003292
【氏名又は名称】弁理士法人三栄国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】フランソワ フラッペ
【テーマコード（参考）】
3H131
3J102
【Ｆターム（参考）】
3H131AA02
3H131BA07
3H131BA12
3H131BA15
3H131CA13
3J102AA01
3J102BA02
3J102CA02
3J102CA24
3J102CA27
3J102DA03
3J102DA09
3J102DB05
3J102DB23
3J102DB37
3J102GA06
(57)【要約】
ロータ（７）を備える回転機械（１００）の磁気軸受（１、１’）は、ロータ（７）を所定の方向に確実に位置決めするために、少なくとも一対のコイル（５、５’）を備え、一対の第１のコイル（５）と第２のコイル（５’）は、磁気軸受の電力供給回路（１３）に並列な第１分岐（Ｂ１）と第２分岐（Ｂ２）にそれぞれ配置され、２つの分岐（Ｂ１とＢ２）は共通のＤＣ電圧源（Ｖｂｕｓ／２）に接続されている。第１の分岐（Ｂ１）は、第１のコイル（５）に関連付けられた第１の電圧レギュレータ（ＲＶ１）を含み、第２の分岐（Ｂ２）は、第２のコイル（５’）に関連付けられた第２の電圧レギュレータ（ＲＶ２）を含み、電力供給回路（１３）は、第１の電圧レギュレータ（ＲＶ１）及び第２の電圧レギュレータ（ＲＶ２）の制御ユニット（１１）も備え、制御ユニット（１１）は、ロータ（７）の測定された位置の関数として第１のコイル（５）及び第２のコイル（５’）をそれぞれ循環する電流（Ｉｂ１、Ｉｂ２）をサーボ制御するように構成された２つの第１フィードバックループを備える。２つの第２フィードバックループは、第１のコイル（５）と第２のコイル（５’）の電流（Ｉｂ１、Ｉｂ２）の関数として、それぞれ第１のコイル（５）と第２のコイル（５’）の端子の電圧をサーボ制御する。
【選択図】図３
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ロータ（７）を備える回転機械（１００）の磁気軸受（１、１’）であって、前記磁気軸受は、前記ロータ（７）の所定の方向への位置決めを確実にするために少なくとも一対の第１のコイルと第２のコイル（５、５’）を備え、
前記一対の第１のコイル（５）と第２のコイル（５’）が、前記磁気軸受の電力供給回路（１３）の並列な第１の分岐（Ｂ１）と第２の分岐（Ｂ２）にそれぞれ配置され、
前記２つの分岐（Ｂ１、Ｂ２）は共通のＤＣ電圧源（Ｖｂｕｓ／２）に接続されており、前記第１の分岐（Ｂ１）は、前記第１のコイル（５）に関連付けられた第１の電圧レギュレータ（ＲＶ１）を含み、前記第２の分岐（Ｂ２）は、前記第２のコイル（５’）に関連付けられた第２の電圧レギュレータ（ＲＶ２）を含み、
前記電力供給回路（１３）はまた、前記第１の電圧レギュレータ（ＲＶ１）及び前記第２の電圧レギュレータ（ＲＶ２）の制御ユニット（１１）を備え、
前記制御ユニット（１１）は、前記ロータ（７）の測定された位置の関数として前記第１のコイル（５）及び前記第２のコイル（５’）をそれぞれ循環する電流（Ｉｂ１、Ｉｂ２）をサーボ制御するように構成された２つの第１フィードバックループと、前記第１のコイル（５）と前記第２のコイル（５’）の電流（Ｉｂ１、Ｉｂ２）の関数として、それぞれ前記第１のコイル（５）と前記第２のコイル（５’）の端子の電圧をサーボ制御するように構成された２つの第２フィードバックループとを備えていることを特徴とする磁気軸受。
【請求項2】
請求項１に記載の磁気軸受（１、１’）において、前記制御ユニット（１１）の前記第１及び第２のフィードバックループは、
前記ロータ（７）の測定された位置の関数として、前記一対のコイル（５、５’）に供給される第１の電流設定値（Ｃｉ１、Ｃｉ２）を決定するように構成された第１の処理ユニット（１５）を備え、
前記一対の前記第１のコイル（５）と前記第２のコイル（５’）は、各々、
前記第１の処理ユニット（１５）によって決定された前記第１の電流設定値（Ｃｉ１、Ｃｉ２）を、関連する前記コイル（５、５’）内を循環する電流（Ｉｂ１、Ｉｂ２）と比較し、前記電流の比較結果の関数として電圧設定値（ＣＶ１、ＣＶ２）を決定する、第２の処理ユニット（１７、１７’）と、
前記第２の処理ユニット（１７、１７’）によって供給される前記電圧設定値（ＣＶ１、ＣＶ２）と前記コイルの端子の前記電圧を比較し、前記電圧の比較結果の関数として第２の電流設定値（Ｃｉｉ１、Ｃｉｉ２）を決定するように構成された第３の処理ユニット（１９、１９’）と、
前記第３の処理ユニット（１９、１９’）によって供給される前記第２の電流設定値（Ｃｉｉ１、Ｃｉｉ２）の関数として、関連する前記第１、第２の電圧レギュレータ（ＲＶ１、ＲＶ２）の電流を調整するように構成された第４の処理ユニット（２１、２１’）を備えていることを特徴とする磁気軸受。
【請求項3】
請求項１又は２に記載の磁気軸受（１、１’）において、前記第１の電圧レギュレータ（ＲＶ１）及び／または前記第２の電圧レギュレータ（ＲＶ２）は、それらの入力が前記関連するコイル（５,５’）に接続された昇圧回路であることを特徴とする磁気軸受。
【請求項4】
請求項１又は２に記載の磁気軸受（１、１’）において、前記第１の電圧レギュレータ（ＲＶ１）及び／または前記第２の電圧レギュレータ（ＲＶ２’）は、それらの出力が関連するコイル（５、５’）に接続された電圧降圧回路であることを特徴とする磁気軸受。
【請求項5】
請求項１または２に記載の磁気軸受（１、１’）において、前記第１の電圧レギュレータ（ＲＶ１）は、その入力（ｅ１）が前記第１のコイル（５）に接続された昇圧回路であり、前記第２の電圧レギュレータ（ＲＶ２’）は、その出力（Ｓ２’）が関連するコイル（５’）に接続される電圧降圧回路であることを特徴とする磁気軸受。
【請求項6】
請求項１～５のいずれか一項に記載の磁気軸受において、所定の方向における前記ロータ（７）の位置を測定するように構成された少なくとも１つの誘導型の位置センサ（９）を備えていることを特徴とする磁気軸受。
【請求項7】
請求項１～６のいずれか一項に記載の磁気軸受において、前記電力供給回路（１３）の構成要素が、前記コイル（５、５’）から離れた電子回路基板上に配置され、電力供給ケーブル経由で前記コイル（５、５’）に連結されていることを特徴とする磁気軸受。
【請求項8】
請求項１～７のいずれか一項に記載の第１の磁気軸受（１）及び第２の磁気軸受（１’）を備える回転機械（１００）であって、５対のコイル（５、５’）を備え、
前記第１及び前記第２のコイル対（５、５’）が、前記第１の磁気軸受（１）上の直交する第１の半径方向（Ｘ１）及び第２の半径方向（Ｘ２）に配置され、
第３及び第４のコイル対（５、５’）が、前記第２の磁気軸受（１’）上の前記直交する第１の半径方向及び第２の半径方向に配置され、
第５のコイル対（５、５’）が、前記ロータ（７）の軸方向（Ｘ３）に配置されていることを特徴とする回転機械。
【請求項9】
請求項８に記載の回転機械（１００）において、前記回転機械は、ターボ分子真空ポンプであることを特徴とする回転機械。
【請求項10】
ロータ（７）を備える回転機械（１００）の磁気軸受（１、１’）に電力を供給する方法であって、前記磁気軸受（１、１’）は少なくとも一対のコイル（５、５’）を備え、前記一対のコイル（５、５’）は前記ロータ（７）の両側に配置されており、
前記一対のコイル（５、５’）に、共通のＤＣ電圧源（Ｖｂｕｓ／２）から電力を供給し、
一方で、前記ロータ（７）を前記第１のコイル（５）及び前記第２のコイル（５）に対して中心に保つために、前記一対の前記第１のコイル（５）及び前記第２のコイル（５’）の電流を、前記ロータ（７）の測定された位置の関数としてサーボ制御し、
他方で、一対の前記第１のコイル（５）と前記第２のコイル（５’）の各端子の電圧を、前記第１のコイルと前記第２のコイルの電流（Ｉｂ１、Ｉｂ２）の関数としてサーボ制御することを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、回転機械用の磁気軸受、それを用いた回転機械、及びこのような磁気軸受に電力を供給する方法に関する。
【背景技術】
【0002】
磁気軸受を備えた回転機械、特に最新技術のターボ分子真空ポンプは、磁気軸受によって浮遊状態で支持及び案内されることにより、一般に固定子内で非常に高速で回転するロータを備えている。これらの磁気軸受は、回転機械のロータを摩擦なくガイドできるようにする磁界を生成するための電磁石を形成する複数のコイルを備えている。
【0003】
これらのコイルは通常、ロータの両側の軸受上に対で配置され、この１対のコイルは、対をなす２つのコイルを結ぶ方向に対応した所定の方向に、ロータをガイドすることができる。軸受は一般に、ロータを半径方向平面内で案内できるようにするために、互いに９０°の位置関係に配置された少なくとも２対のコイルを備えている。ロータを軸方向にガイドするために、通常、さらに一対の追加のコイルが使用される。
【0004】
ロータを所定の位置に維持するために、一対のコイル内を循環し、生成される磁場の強度を定義する電流は、ロータの位置の関数としてサーボ制御される。このロータの位置は、例えば、コイルの近くの軸受に設置された専用のセンサによって測定される。
【0005】
図１は、従来技術による、磁気軸受の一対のコイル５、５’と、これらのコイル５、５’への電力供給装置の例示的な実施形態を示す図である。
この電力供給装置は、一対のコイル５、５’が、ＤＣ電圧源Ｖから電力供給され、その中間点がコイル５、５’の第１端子に接続される直列接続の２つのトランジスタＴを有する、ハーフブリッジ回路を備えている。このハーフブリッジ回路の各トランジスタＴは、５０％の一定のデューティサイクルにより逆相で駆動される。
各コイル５、５’の第２端子は、一端はダイオードＤを介してＤＣ電圧源Ｖに接続され、他端は、トランジスタＴ０を介してグランドに接続されている。これらのトランジスタＴ０は、ロータ７の位置の関数としてコイル５、５’内の電流をサーボ制御するように構成された、調整ループＢＲによって制御される。
一対の第１のコイル５と第２のコイル５’の電流設定値は、いわゆるアイドル電流Ｉ０と、ロータの位置の関数として計算される電流デルタΔｉを重ね合わせたものである。この電流デルタΔｉは、コイル５、５’の一方では加算され、他方では減算されて、ロータの位置をサーボ制御する。
この電力供給装置は、一対のコイル５、５’が、ＤＣ電圧源Ｖから電力供給され、その中間点がコイル５、５’の第１端子に接続される直列接続の２つのトランジスタＴを有する、ハーフブリッジ回路を備えている。このハーフブリッジ回路の各トランジスタＴは、５０％の一定のデューティサイクルにより逆相で駆動される。
各コイル５、５’の第２端子は、一端はダイオードＤを介してＤＣ電圧源Ｖに接続され、他端は、トランジスタＴ０を介してグランドに接続されている。これらのトランジスタＴ０は、ロータ７の位置の関数としてコイル５、５’内の電流をサーボ制御するように構成された、調整ループＢＲによって制御される。
一対の第１のコイル５と第２のコイル５’の電流設定値は、いわゆるアイドル電流Ｉ０と、ロータの位置の関数として計算される電流デルタΔｉを重ね合わせたものである。この電流デルタΔｉは、コイル５、５’の一方では加算され、他方では減算されて、ロータの位置をサーボ制御する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
ただし、このような設定には欠点が生じる可能性がある。
実際、各コイルの端子に印加されるパルス電圧は電流リップルを生成する傾向があり、これがロータの損失や振動を誘発する可能性がある。特に、回転機械が、高い精度と非常に安定した環境が要求される、ナノメートルエッチング法が行われる真空チャンバーのポンピングに使用される真空ポンプである場合に有害となる可能性がある。
さらに、コイルとその電力供給ケーブルにおける大幅かつ急速な電圧変動は、電磁放射を引き起こし、高価で高品質な電磁シールド対策が講じられていない場合には、特にコイルの近くに位置するロータの位置センサに障害を引き起こす可能性がある。
実際、各コイルの端子に印加されるパルス電圧は電流リップルを生成する傾向があり、これがロータの損失や振動を誘発する可能性がある。特に、回転機械が、高い精度と非常に安定した環境が要求される、ナノメートルエッチング法が行われる真空チャンバーのポンピングに使用される真空ポンプである場合に有害となる可能性がある。
さらに、コイルとその電力供給ケーブルにおける大幅かつ急速な電圧変動は、電磁放射を引き起こし、高価で高品質な電磁シールド対策が講じられていない場合には、特にコイルの近くに位置するロータの位置センサに障害を引き起こす可能性がある。
【0007】
したがって、従来技術の欠点を少なくとも部分的に克服することを可能にし、ロータの振動を低減し、コイルとその電力供給ケーブルの電磁放射を低減することを可能にする解決策を見つける必要がある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
この目的を達成するために、本発明の主題は、ロータを備える回転機械の磁気軸受に関する。この磁気軸受は、ロータを所定の方向に確実に位置決めするために、第１のコイルと第２のコイルとを含む少なくとも一対のコイルを備えており、
前記一対の第１のコイルと第２のコイルは、磁気軸受の電力供給回路の並列な第１の分岐と第２の分岐にそれぞれ配置され、これら２つの分岐は共通の１つのＤＣ電圧源に接続され、第１の分岐は第１のコイルに関連付けられた第１の電圧レギュレータを含み、第２の分岐は第２のコイルに関連付けられた第２の電圧レギュレータを備えている。
電力供給回路は、第１及び第２の電圧レギュレータの制御ユニットも備えており、
前記制御ユニットは、ロータの測定された位置の関数として、第１及び第２のコイル内をそれぞれ循環する電流をサーボ制御するように構成された２つの第１のフィードバックループと、第１及び第２のコイルの電流の関数として、第１及び第２のコイルの端子における電圧をそれぞれサーボ制御するように構成された２つの第２のフィードバックループを備えている。
これら第１のフィードバックループと第２のフィードバックループは入れ子になっており、電流が設定値に最もよく従うように各コイルの端子の電圧を調整できる。
前記一対の第１のコイルと第２のコイルは、磁気軸受の電力供給回路の並列な第１の分岐と第２の分岐にそれぞれ配置され、これら２つの分岐は共通の１つのＤＣ電圧源に接続され、第１の分岐は第１のコイルに関連付けられた第１の電圧レギュレータを含み、第２の分岐は第２のコイルに関連付けられた第２の電圧レギュレータを備えている。
電力供給回路は、第１及び第２の電圧レギュレータの制御ユニットも備えており、
前記制御ユニットは、ロータの測定された位置の関数として、第１及び第２のコイル内をそれぞれ循環する電流をサーボ制御するように構成された２つの第１のフィードバックループと、第１及び第２のコイルの電流の関数として、第１及び第２のコイルの端子における電圧をそれぞれサーボ制御するように構成された２つの第２のフィードバックループを備えている。
これら第１のフィードバックループと第２のフィードバックループは入れ子になっており、電流が設定値に最もよく従うように各コイルの端子の電圧を調整できる。
【0009】
ロータの位置の関数としてコイル内を循環する電流をサーボ制御するように構成された第１のフィードバックループと、コイル内の電流の関数として、コイルの端子の電圧をサーボ制御するように構成された第２のフィードバックループの使用は、ロータを所定の位置に保ちながら、コイルに直流電圧を印加することができるため、磁気軸受への電力供給によって発生する振動を低減し、磁気軸受のコイルの電力供給ケーブルの電磁放射を低減することができる。
【0010】
本発明の別の態様によれば、制御ユニットの第１及び第２のフィードバックループは、
ロータの測定された位置の関数として一対のコイルに供給される第１の電流設定値を決定するように構成された、第１の処理ユニットを含み、
前記一対の第１のコイルと第２のコイルは、各々、
前記第１の処理ユニットによって決定された前記第１の電流設定値と、関連するコイル内を循環する電流とを比較し、前記電流の比較の結果の関数として電圧設定値を決定するように構成された第２の処理ユニットと、
前記第２の処理ユニットによって供給される前記電圧設定値と前記各コイルの端子の電圧を比較し、前記電圧の比較の結果の関数として第２の電流設定値を決定するように構成された第３の処理ユニットと、
前記第３の処理ユニットによって供給される前記第２の電流設定値の関数として、関連する電圧レギュレータ内の電流を調整するように構成された第４の処理ユニットとを含んでいる。
ロータの測定された位置の関数として一対のコイルに供給される第１の電流設定値を決定するように構成された、第１の処理ユニットを含み、
前記一対の第１のコイルと第２のコイルは、各々、
前記第１の処理ユニットによって決定された前記第１の電流設定値と、関連するコイル内を循環する電流とを比較し、前記電流の比較の結果の関数として電圧設定値を決定するように構成された第２の処理ユニットと、
前記第２の処理ユニットによって供給される前記電圧設定値と前記各コイルの端子の電圧を比較し、前記電圧の比較の結果の関数として第２の電流設定値を決定するように構成された第３の処理ユニットと、
前記第３の処理ユニットによって供給される前記第２の電流設定値の関数として、関連する電圧レギュレータ内の電流を調整するように構成された第４の処理ユニットとを含んでいる。
【0011】
本発明の別の態様によれば、前記第１の電圧レギュレータ及び／または前記第２の電圧レギュレータは、その入力が関連する前記コイルに接続される昇圧回路である。
本発明の別の態様によれば、前記第１の電圧レギュレータ及び／または前記第２の電圧レギュレータは、その出力が関連する前記コイルに接続される電圧降圧回路である。
本発明の別の態様によれば、前記第１の電圧レギュレータ及び／または前記第２の電圧レギュレータは、その出力が関連する前記コイルに接続される電圧降圧回路である。
【0012】
本発明の別の態様によれば、前記第１の電圧レギュレータは、その入力が第１のコイルに接続される昇圧回路であり、前記第２の電圧レギュレータは、その出力が関連するコイルに接続される電圧降圧回路である。
本発明の別の態様によれば、前記磁気軸受は、所定の方向における前記ロータの位置を測定するように構成された少なくとも１つの誘導型の位置センサを備えている。
本発明の別の態様によれば、前記電力供給回路の構成要素は、前記コイルから離れた電子回路基板上に配置され、電力供給ケーブルを介して前記コイルに接続されている。
本発明の別の態様によれば、前記磁気軸受は、所定の方向における前記ロータの位置を測定するように構成された少なくとも１つの誘導型の位置センサを備えている。
本発明の別の態様によれば、前記電力供給回路の構成要素は、前記コイルから離れた電子回路基板上に配置され、電力供給ケーブルを介して前記コイルに接続されている。
【0013】
本発明はまた、前記第１及び第２の磁気軸受を備える回転機械にも関し、この回転機械は５対のコイルを備え、第１及び第２のコイル対が、前記第１の磁気軸受上に第１及び第２の直交する半径方向に配置され、第３及び第４のコイル対が前記第２の磁気軸受上に前記第１及び第２の直交する半径方向に配置され、第５のコイル対が前記ロータの軸方向に配置されている。
【0014】
本発明の別の態様によれば、前記回転機械はターボ分子真空ポンプである。
【0015】
本発明は、ロータを備える回転機械の磁気軸受に電力を供給する方法にも関する。前記磁気軸受は少なくとも一対のコイルを備えている。前記一対のコイルは前記ロータの両側に配置され、共通の１つのＤＣ電圧源によって電力が供給され、一方では、前記一対の第１のコイルと第２のコイルの電流は、前記ロータを前記第１のコイルと前記第２のコイルの中心に保つために、前記ロータの測定された位置の関数としてサーボ制御され、他方では、前記一対の第１のコイルと第２のコイルのそれぞれの端子の電圧は、前記第１のコイルと前記第２のコイルの電流の関数としてサーボ制御される。
本発明の他の特徴及び利点は、例示的かつ非限定的な例として与えられる以下の説明及び添付の図面を読むことにより、より明確に明らかになるであろう。
本発明の他の特徴及び利点は、例示的かつ非限定的な例として与えられる以下の説明及び添付の図面を読むことにより、より明確に明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】従来技術による軸受の電力供給回路の概略図である。
【図2】本発明の一実施例になる磁気軸受の概略を示す斜視図である。
【図3】本発明の第１の変形例に係る、磁気軸受の一対のコイルの電力供給回路の概略を示す図である。
【図4】第２の変形例に係る、磁気軸受の一対のコイルの電力供給回路の概略を示す図である。
【図5】本発明の実施例になる、２つの磁気軸受を備える回転機械の概略を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下の図では、同一の要素には同じ参照番号が付けられている。
以下の実施形態は例である。この説明は１つ以上の実施形態に言及しているが、これは必ずしも各参照が同じ実施形態に関連していること、または複数の特徴が単一の実施形態にのみ適用されることを意味するものではない。異なる実施形態の１つの特徴を組み合わせたり交換したりして、他の実施形態を提供することもできる。
以下の実施形態は例である。この説明は１つ以上の実施形態に言及しているが、これは必ずしも各参照が同じ実施形態に関連していること、または複数の特徴が単一の実施形態にのみ適用されることを意味するものではない。異なる実施形態の１つの特徴を組み合わせたり交換したりして、他の実施形態を提供することもできる。
【0018】
本発明は、回転機械の磁気軸受に関する。この回転機械は、例えば真空ポンプ、特に半導体製造のプロセスチャンバに使用できるターボ分子真空ポンプ等である。
図２は、そのような回転機械の磁気軸受１の例示的な実施形態を示している。
磁気軸受１は、例えば、回転機械のロータ７の周囲に配置された２対のコイル５、５’を有する、１つの電磁石３を備えている。この電磁石３は、例えば、コイル５、５’が配置されるエアギャップ４を備えている。
第１の対のコイル５、５’は、軸Ｘ１によって表される第１の方向に配置され、第２の対のコイル５、５’は、軸Ｘ２によって表される第２の方向に配置され、第１の方向と第２の方向の角度は互いに直角であり、ロータの回転軸Ｘ３に対しても直角である。
したがって、２対のコイル５、５’内の電流の強さを制御することによって、ロータ７を所望の半径方向位置に維持することが可能である。
磁気軸受１はまた、ロータ７の位置センサ９、例えば、ロータ７の位置を決定することを可能にする誘導センサを備えている（実際には、ロータ７の位置を決定するために（例えば２つの軸受に配置された）複数の位置センサが使用される）。
磁気軸受１はまた、この位置センサ９（実際には複数の位置センサ９）によって供給される測定値に応じて、２対のコイル５、５’の電流をサーボ制御できるように構成された制御ユニット１１を備えている。
図２は、そのような回転機械の磁気軸受１の例示的な実施形態を示している。
磁気軸受１は、例えば、回転機械のロータ７の周囲に配置された２対のコイル５、５’を有する、１つの電磁石３を備えている。この電磁石３は、例えば、コイル５、５’が配置されるエアギャップ４を備えている。
第１の対のコイル５、５’は、軸Ｘ１によって表される第１の方向に配置され、第２の対のコイル５、５’は、軸Ｘ２によって表される第２の方向に配置され、第１の方向と第２の方向の角度は互いに直角であり、ロータの回転軸Ｘ３に対しても直角である。
したがって、２対のコイル５、５’内の電流の強さを制御することによって、ロータ７を所望の半径方向位置に維持することが可能である。
磁気軸受１はまた、ロータ７の位置センサ９、例えば、ロータ７の位置を決定することを可能にする誘導センサを備えている（実際には、ロータ７の位置を決定するために（例えば２つの軸受に配置された）複数の位置センサが使用される）。
磁気軸受１はまた、この位置センサ９（実際には複数の位置センサ９）によって供給される測定値に応じて、２対のコイル５、５’の電流をサーボ制御できるように構成された制御ユニット１１を備えている。
【0019】
図５は、ロータ７の第１端と第２端にそれぞれ配置された２つの磁気軸受１及び１’を備えた回転機械１００を概略的に示している。ロータ７は、このロータ７を回転駆動するように構成されたステータ６によって取り囲まれている。
各磁気軸受は、軸Ｘ１上の第１の対のコイル５、５’と、この軸Ｘ１に直角な軸Ｘ２上の第２の対のコイル５、５’と、追加の対のコイル５、５’を備えている。追加の対のコイル５、５’は、ロータ７の軸方向（すなわち軸Ｘ３上）の位置を制御するために使用される。
５つの位置センサ９が、磁気軸受１及び磁気軸受１’上に配置されている。例えば、ロータ７の半径方向の変位を測定するために、各磁気軸受１、１’に対して直角の２つの方向に従って、２つの位置センサ９が配置されており、ロータ７の軸方向の位置を測定するために、１つの追加の位置センサ９が配置されている。
したがって、ロータ７の位置は、これらのすべての位置センサ９の測定値から、制御ユニット１１のマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラなどの処理手段によって決定することができ、次いで、この測定されたこれらの位置を使用して、コイル５、５’に供給される電流設定値を決定することができる。あるいはまた、異なる数のコイル対、例えば各軸受１、１’に対して２より多い数のコイルを使用することもできる。異なる数の位置センサ９を使用することもできる。
各磁気軸受は、軸Ｘ１上の第１の対のコイル５、５’と、この軸Ｘ１に直角な軸Ｘ２上の第２の対のコイル５、５’と、追加の対のコイル５、５’を備えている。追加の対のコイル５、５’は、ロータ７の軸方向（すなわち軸Ｘ３上）の位置を制御するために使用される。
５つの位置センサ９が、磁気軸受１及び磁気軸受１’上に配置されている。例えば、ロータ７の半径方向の変位を測定するために、各磁気軸受１、１’に対して直角の２つの方向に従って、２つの位置センサ９が配置されており、ロータ７の軸方向の位置を測定するために、１つの追加の位置センサ９が配置されている。
したがって、ロータ７の位置は、これらのすべての位置センサ９の測定値から、制御ユニット１１のマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラなどの処理手段によって決定することができ、次いで、この測定されたこれらの位置を使用して、コイル５、５’に供給される電流設定値を決定することができる。あるいはまた、異なる数のコイル対、例えば各軸受１、１’に対して２より多い数のコイルを使用することもできる。異なる数の位置センサ９を使用することもできる。
【0020】
図３は、一対のコイル５、５’に関連付けられた１つの磁気軸受１に対する、１つの電力供給回路１３の例示的な実施形態を表している。これと同様の電気回路１３を、回転機械のコイル５、５’の各対に関連付けることができる。
この電気回路１３は、特に制御ユニット１１を含むプリント回路または電子回路基板を備えることができ、このプリント回路は、電力供給ケーブルを介して対のコイル５、５’及び位置センサ９に接続されている。
電気回路１３は、回転機械１００のＤＣ電圧源Ｖｂｕｓから供給される電圧源であり、ＤＣ電圧源Ｖｂｕｓ／２を備えている。電気回路１３はまた、第１端で共通のＤＣ電圧源Ｖｂｕｓ／２に接続され、第２端で共通のＤＣ電圧源Ｖｂｕｓに接続される、並列の２つの分岐Ｂ１及びＢ２を備えている。
第１の分岐Ｂ１は、電流Ｉｂ１が循環する一対のコイルの第１のコイル５と、この第１のコイル５に関連付けられた第１の電圧レギュレータＲＶ１とを備えている。第２の分岐Ｂ２は、電流Ｉｂ２が循環する一対の第２のコイル５’と、この第２のコイル５’に関連付けられた第２の電圧レギュレータＲＶ２とを備えている。
この電気回路１３は、特に制御ユニット１１を含むプリント回路または電子回路基板を備えることができ、このプリント回路は、電力供給ケーブルを介して対のコイル５、５’及び位置センサ９に接続されている。
電気回路１３は、回転機械１００のＤＣ電圧源Ｖｂｕｓから供給される電圧源であり、ＤＣ電圧源Ｖｂｕｓ／２を備えている。電気回路１３はまた、第１端で共通のＤＣ電圧源Ｖｂｕｓ／２に接続され、第２端で共通のＤＣ電圧源Ｖｂｕｓに接続される、並列の２つの分岐Ｂ１及びＢ２を備えている。
第１の分岐Ｂ１は、電流Ｉｂ１が循環する一対のコイルの第１のコイル５と、この第１のコイル５に関連付けられた第１の電圧レギュレータＲＶ１とを備えている。第２の分岐Ｂ２は、電流Ｉｂ２が循環する一対の第２のコイル５’と、この第２のコイル５’に関連付けられた第２の電圧レギュレータＲＶ２とを備えている。
【0021】
図３の例では、電圧レギュレータは昇圧回路（昇圧型コンバータとも称される）であり、その入力は関連するコイル５、５’に接続されている。
第１の電圧レギュレータＲＶ１に対応する昇圧回路は、第１の電圧レギュレータＲＶ１の入力点ｅ１とグランドとの間に設けられたコンデンサＣ１と、第１の電圧レギュレータＲＶ１の入力点ｅ１と出力点ｓ１との間にダイオードＤ１と直列に配置されたインダクタＬ１と、このインダクタＬ１とダイオードＤ１との間の中点ｍ１とグランドとの間に配置されたトランジスタＴ１とを含んでいる。
トランジスタＴ１のスイッチオフ及びスイッチオンの制御により、一対のコイルの第１のコイル５内を循環する電流Ｉｂ１を制御することができる。
第１の電圧レギュレータＲＶ１に対応する昇圧回路は、第１の電圧レギュレータＲＶ１の入力点ｅ１とグランドとの間に設けられたコンデンサＣ１と、第１の電圧レギュレータＲＶ１の入力点ｅ１と出力点ｓ１との間にダイオードＤ１と直列に配置されたインダクタＬ１と、このインダクタＬ１とダイオードＤ１との間の中点ｍ１とグランドとの間に配置されたトランジスタＴ１とを含んでいる。
トランジスタＴ１のスイッチオフ及びスイッチオンの制御により、一対のコイルの第１のコイル５内を循環する電流Ｉｂ１を制御することができる。
【0022】
同様に、第２の電圧レギュレータＲＶ２に対応する昇圧回路は、第２の電圧レギュレータＲＶ２の入力点ｅ２とグランドとの間に配置されたコンデンサＣ２と、第２の電圧レギュレータＲＶ２の入力点ｅ２と出力点ｓ２との間にダイオードＤ２と直列に配置されたインダクタＬ２と、このインダクタＬ２とダイオードＤ２との間の中点ｍ２とグランドとの間に配置されたトランジスタＴ２とを含んでいる。トランジスタＴ２のスイッチオフ及びスイッチオンの制御により、一対のコイルの第２のコイル５’内を循環する電流Ｉｂ２を制御することができる。
出力点ｓ１及びｓ２は、例えば、ＤＣ電圧源Ｖｂｕｓに接続されている。
出力点ｓ１及びｓ２は、例えば、ＤＣ電圧源Ｖｂｕｓに接続されている。
【0023】
他のタイプの電圧レギュレータを使用することができる。例えば、電圧降圧回路（バック型コンバータとも称される）や、関連する一対のコイル５、５’内を循環する電流の制御を可能にする他のタイプの電圧レギュレータなどである。
【0024】
電力供給回路１３はまた、第１及び第２の電圧レギュレータＲＶ１及びＲＶ２のための、制御ユニット１１を備えている。
この制御ユニット１１は、少なくとも１つの位置センサ９によって与えられるロータ７の測定位置の関数として、第１のコイル５及び第２のコイル５’をそれぞれ循環する電流をサーボ制御するように構成された、２つの第１のフィードバックループを備えている。
この制御ユニット１１は、少なくとも１つの位置センサ９によって与えられるロータ７の測定位置の関数として、第１のコイル５及び第２のコイル５’をそれぞれ循環する電流をサーボ制御するように構成された、２つの第１のフィードバックループを備えている。
【0025】
これら２つの第１のフィードバックループは、ロータ７の測定された位置の関数として一対のコイル５、５’に供給される第１の電流設定値Ｃｉ１、Ｃｉ２を決定するように構成された、第１の処理ユニット１５を備えている。
ロータの所望の位置（通常、一対の第１のコイル５と第２のコイル５’の間の中心の位置）を得るために、第１の処理ユニット１５は、第１のコイル５に関連する第１の電流設定値Ｃｉ１を提供し、かつ、第２のコイル５’に関連する第２の電流設定値Ｃｉ２を提供するために、所定の電流値Ｉ０に加えられ、あるいはこの所定の電流値Ｉ０から減算されるべき補正値に対応する電流デルタΔｉを決定するように構成されている。
したがって、電流デルタΔｉの符号は、ロータ７の軸が、電流の大部分が通過する軸受に向かって引っ張られる方向を定義し、軸受のコイル５、５’は、磁化されていないロータ７の軸受をこれらのコイルに向かって「引っ張る」ことしかできない。
したがって、ロータ７にかかる力は、２つの反対方向の力の合成となり、１つは（Ｉ０＋Δｉ）２に比例し、もう１つは（Ｉ０－Δｉ）２に比例する。これは、電流変化ΔｉとＩ０に加えられる力を線形化する効果がある。事前に定義された電流値Ｉ０は、時間が経っても一定である。
ロータの所望の位置（通常、一対の第１のコイル５と第２のコイル５’の間の中心の位置）を得るために、第１の処理ユニット１５は、第１のコイル５に関連する第１の電流設定値Ｃｉ１を提供し、かつ、第２のコイル５’に関連する第２の電流設定値Ｃｉ２を提供するために、所定の電流値Ｉ０に加えられ、あるいはこの所定の電流値Ｉ０から減算されるべき補正値に対応する電流デルタΔｉを決定するように構成されている。
したがって、電流デルタΔｉの符号は、ロータ７の軸が、電流の大部分が通過する軸受に向かって引っ張られる方向を定義し、軸受のコイル５、５’は、磁化されていないロータ７の軸受をこれらのコイルに向かって「引っ張る」ことしかできない。
したがって、ロータ７にかかる力は、２つの反対方向の力の合成となり、１つは（Ｉ０＋Δｉ）２に比例し、もう１つは（Ｉ０－Δｉ）２に比例する。これは、電流変化ΔｉとＩ０に加えられる力を線形化する効果がある。事前に定義された電流値Ｉ０は、時間が経っても一定である。
【0026】
第１のフィードバックループは、第１の電流設定値Ｃｉ１と第１のコイル５内を循環する電流の測定値とをそれぞれ比較し、第２の電流設定値Ｃｉ２と第２のコイル５’内を循環する電流の測定値とをそれぞれ比較するように構成された第２の処理ユニット１７、１７’も備えている。
第２の処理ユニット１７、１７’はまた、第１の電流設定値Ｃｉ１、Ｃｉ２と、関連するコイル５、５’内を循環する電流の測定値との間の比較の結果の関数として、電圧設定値ＣＶ１、ＣＶ２を決定するように構成されている。
第２の処理ユニット１７、１７’はまた、第１の電流設定値Ｃｉ１、Ｃｉ２と、関連するコイル５、５’内を循環する電流の測定値との間の比較の結果の関数として、電圧設定値ＣＶ１、ＣＶ２を決定するように構成されている。
【0027】
制御ユニット１１はまた、第１のフィードバックループ内で入れ子になり、第１のコイル５及び第２のコイル５’の電流Ｉｂ１、Ｉｂ２の関数として、第１のコイル５及び第２のコイル５’の端子における電圧をそれぞれサーボ制御するように構成された、２つの第２のフィードバックループを備えている。
【0028】
これら２つの第２のフィードバックループは、第２の処理ユニット１７、１７’によって供給される電圧設定値ＣＶ１、ＣＶ２と、コイル５、５’の端子の電圧（実際には、昇圧回路の入力ｅ１、ｅ２（または降圧回路の場合は出力ｓ２’）で測定された電圧であり、関連するコイル５、５’の端子の電圧を反映する）との間の比較の結果の関数として、第２の電流設定値Ｃｉｉ１、Ｃｉｉ２を決定する。
【0029】
制御ユニット１１はまた、第３の処理ユニット１９によって供給される第２の電流設定値Ｃｉｉ１の関数として第１の電圧レギュレータＲＶ１内の電流を調整し、第３の処理ユニット１９’によって供給される第２の電流設定値Ｃｉｉ２の関数として第２の電圧レギュレータＲＶ２の電流を調整するように構成された、第４の処理ユニット２１、２１’も備えている。そのため、この第４の処理ユニット２１、２１’は、トランジスタＴ１、Ｔ２を循環する電流（トランジスタＴ１、Ｔ２がオンになったときにインダクタＬ１、Ｌ２を循環する電流に対応する）を、第２の電流設定値Ｃｉｉ１、Ｃｉｉ２と比較する。
【0030】
第１の処理ユニット１５、第２の処理ユニット１７、１７’、第３の処理ユニット１９、１９’、及び第４の処理ユニット２１、２１’は、例えば、制御ユニット１１のマイクロコントローラをプログラミングすることによって生成される。
したがって、第２のフィードバックループは、第１のフィードバックループ内に入れ子になっていて、コイル５及びコイル５’に対するロータ７の位置と、コイル５及びコイル５’の端子における電圧の両方をサーボ制御できるようにする。
したがって、第２のフィードバックループは、第１のフィードバックループ内に入れ子になっていて、コイル５及びコイル５’に対するロータ７の位置と、コイル５及びコイル５’の端子における電圧の両方をサーボ制御できるようにする。
【0031】
コイル５、５’の端子の電圧値は、したがって、－Ｖｂｕｓ／２とＶｂｕｓ／２の間で変化するＤＣ電圧である。－Ｖｂｕｓ／２は、関連する電圧レギュレータＲＶ１、ＲＶ２の入力ｅ１、ｅ２の電圧がＶｂｕｓの場合の電圧であり、コンポーネントが理想的であることを考慮し、損失を無視する。Ｖｂｕｓ／２は、関連する電圧レギュレータＲＶ１、ＲＶ２の入力ｅ１、ｅ２の電圧が０の場合電圧であり、コンポーネントが理想的であると考え、損失を無視する。
【0032】
したがって、図１で説明した従来技術の場合のようなコイル５、５’のスイッチモード電源（パルス電圧）がなく、入れ子状のフィードバックループを使用してコイル５、５’の電流値の両方を調整することができる。第１のコイル５及び第２のコイル５’の端子における電圧の値により、特に電源電圧の切り替えに起因するコイル５、５’における電流リップルを低減し、さらには除去することが可能になる。
これにより、スイッチング周波数に近い周波数での振動の低減、さらには除去が可能になり、その結果、回転機械１００が生成する振動が少なくなり、この回転機械１００の環境や、この回転機械の近くに位置する精密機器への影響が少なくなる。
さらに、コイル５、５’に電流リップルがないため、電流リップルに対処するためにこれらのコイル５、５’のインダクタンス値の選択が制限されず、コイル５、５’のインダクタンス値として、より低いインダクタンス値を使用できるようになる。
これにより、スイッチング周波数に近い周波数での振動の低減、さらには除去が可能になり、その結果、回転機械１００が生成する振動が少なくなり、この回転機械１００の環境や、この回転機械の近くに位置する精密機器への影響が少なくなる。
さらに、コイル５、５’に電流リップルがないため、電流リップルに対処するためにこれらのコイル５、５’のインダクタンス値の選択が制限されず、コイル５、５’のインダクタンス値として、より低いインダクタンス値を使用できるようになる。
【0033】
さらに、コイル５、５’に経時的な急激な電圧変化がないことにより、コイル５、５’及びこれらのコイル５、５’を接続する電力供給ケーブルの電磁放射を大幅に制限し、さらには排除することができる。この電磁放射がなくなることにより、コイル５、５’の近くに位置する誘導位置センサ９への妨害を特に回避することも可能になる。
【0034】
図４は、第２の分岐Ｂ２’が降圧回路（バック型コンバータとも称される）に対応する第２の電圧レギュレータＲＶ２’を備える点で、前の例とは異なる変形された実施形態を表わしている。この実施形態では、その入力点ｅ２’は、第１の電圧レギュレータＲＶ１の出力点ｓ１に接続され、その出力点ｓ２’は第２のコイル５’に接続されている。
【0035】
第２の電圧レギュレータＲＶ２’に対応する降圧回路は、入力ｅ２’と出力ｓ２’との間に直列に配置された、トランジスタＴ２’とインダクタＬ２’とを備えている。
また、この降圧回路は、トランジスタＴ２’とインダクタＬ２’との間の中点ｍ２’とグランドとの間に配置されたダイオードＤ２’と、グランドと出力点ｓ２’との間に配置されたコンデンサＣ２’とを備えている。
トランジスタＴ２’のスイッチオフ及びスイッチオンの制御により、一対の第２のコイル５’内を循環する電流を制御することが可能になる。
また、この降圧回路は、トランジスタＴ２’とインダクタＬ２’との間の中点ｍ２’とグランドとの間に配置されたダイオードＤ２’と、グランドと出力点ｓ２’との間に配置されたコンデンサＣ２’とを備えている。
トランジスタＴ２’のスイッチオフ及びスイッチオンの制御により、一対の第２のコイル５’内を循環する電流を制御することが可能になる。
【0036】
電力供給回路１３の他の要素は、図３に基づいて説明した前述の実施形態と同一である。
この実施形態では、第２の分岐Ｂ２’、特に第２のコイル５’の電流の方向は、図３の実施形態の第２の分岐Ｂ２の電流の方向と反対である。
これにより、ＤＣ電圧源Ｖｂｕｓ／２によって供給される電流ＩＶｂを大幅に低減することが可能になる。
電流ＩＶｂは実際には２＊Δｉに実質的に等しい。これは、同じＤＣ電圧源Ｖｂｕｓ／２を使用して回転機械１００のコイル５、５’のすべての対に電力を供給する場合に、特に有利となる。
この実施形態では、第２の分岐Ｂ２’、特に第２のコイル５’の電流の方向は、図３の実施形態の第２の分岐Ｂ２の電流の方向と反対である。
これにより、ＤＣ電圧源Ｖｂｕｓ／２によって供給される電流ＩＶｂを大幅に低減することが可能になる。
電流ＩＶｂは実際には２＊Δｉに実質的に等しい。これは、同じＤＣ電圧源Ｖｂｕｓ／２を使用して回転機械１００のコイル５、５’のすべての対に電力を供給する場合に、特に有利となる。
【0037】
このように、前述した一対のコイル５、５’の電力供給回路１３の異なる変形を複製して、回転機械１００のすべての対のコイル５、５’に電力を供給することが可能になる。したがって、発生する振動を制限することによって、ロータ７の位置を正確に制御することができる。
【0038】
本発明はまた、前述したように少なくとも１つの電力供給回路１３を有する磁気軸受１、１’を備えた回転機械１００、特にターボ分子真空ポンプに関する。
異なるコイル対５、５’に関連付けられた異なる電力供給回路１３の異なる複数の制御ユニット１１を、単一の電子回路基板上に配置することもできる。
異なるコイル対５、５’に関連付けられた異なる電力供給回路１３の異なる複数の制御ユニット１１を、単一の電子回路基板上に配置することもできる。
【0039】
本発明はまた、前述したように磁気軸受１に電力を供給する方法にも関するものである。この方法では、一方では、ロータ７を第１のコイル５及び第２のコイル５’に対して中心に保つために、一対の第１及び第２のコイル内の電流が、測定されたロータ７の位置の関数としてサーボ制御される。
他方、磁気軸受１への電力供給によって発生する振動を制限するために、一対の第１のコイル５と第２のコイル５’のそれぞれの端子の電圧は、第１のコイル５と第２のコイル５’の電流Ｉｂ１、Ｉｂ２の関数としてサーボ制御される。
他方、磁気軸受１への電力供給によって発生する振動を制限するために、一対の第１のコイル５と第２のコイル５’のそれぞれの端子の電圧は、第１のコイル５と第２のコイル５’の電流Ｉｂ１、Ｉｂ２の関数としてサーボ制御される。
【符号の説明】
【0040】
１、１’ 磁気軸受
３ 電磁石
４ エアギャップ
５ 第１のコイル
５’ 第２のコイル
６ ステータ
７ ロータ
９ 位置センサ
１１ 制御ユニット
１３ 電力供給回路
１５ 第１の処理ユニット
１７、１７’ 第２の処理ユニット
１９、１９’ 第３の処理ユニット
２１、２１’ 第４の処理ユニット
１００ 回転機械
Ｃｉ１、Ｃｉ２ 第１の電流設定値
Ｃｉｉ１、Ｃｉｉ２ 第２の電流設定値
ＣＶ１、ＣＶ２ 電圧設定値
ＲＶ１ 第１の電圧レギュレータ
ＲＶ２ 第２の電圧レギュレータ
Ｘ１ 第１の半径方向
Ｘ２ 第２の半径方向
Ｘ３ 軸方向
３ 電磁石
４ エアギャップ
５ 第１のコイル
５’ 第２のコイル
６ ステータ
７ ロータ
９ 位置センサ
１１ 制御ユニット
１３ 電力供給回路
１５ 第１の処理ユニット
１７、１７’ 第２の処理ユニット
１９、１９’ 第３の処理ユニット
２１、２１’ 第４の処理ユニット
１００ 回転機械
Ｃｉ１、Ｃｉ２ 第１の電流設定値
Ｃｉｉ１、Ｃｉｉ２ 第２の電流設定値
ＣＶ１、ＣＶ２ 電圧設定値
ＲＶ１ 第１の電圧レギュレータ
ＲＶ２ 第２の電圧レギュレータ
Ｘ１ 第１の半径方向
Ｘ２ 第２の半径方向
Ｘ３ 軸方向
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【国際調査報告】