JP2002286036A

JP2002286036A - 磁気軸受装置

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Publication number: JP2002286036A
Application number: JP2001090707A
Authority: JP
Inventors: Matsutaro Miyamoto; 松太郎宮本; Yoshinori Kojima; 善徳小島
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2001-03-27
Filing date: 2001-03-27
Publication date: 2002-10-03
Anticipated expiration: 2021-03-27
Also published as: JP3777500B2

Abstract

(57)【要約】【課題】磁気軸受と一体になったモータのコンパクト
化を図りつつモータとしての効率と性能を向上させる。【解決手段】モータロータ１６と一体に回転するロー
タシャフト１２を２個のラジアル磁気軸受２２，２４と
１個のアキシャル磁気軸受３０により浮上軸支した５軸
形磁気軸受装置において、モータロータ１６の外径ｄ_４
と該モータロータと対面するモータステータ２０の内径
Ｄ_４との間の隙間（Ｄ_４−ｄ_４）を、ラジアル磁気軸受
２２，２４のラジアル変位センサ３４，４２の内径
Ｄ_２，Ｄ_６と該変位センサに対面する被センサ部３２，
４０の外径ｄ_２，ｄ_６との間の隙間（Ｄ _２−ｄ_２，Ｄ_６
−ｄ_６）、またはラジアル電磁石３８，４６の内径
Ｄ_３，Ｄ_５と該電磁石に対面する被軸受部３６，４４の
外径ｄ_３，ｄ_５との間の隙間（Ｄ_３−ｄ_３，Ｄ_５−
ｄ_５）の少なくとも一方より小さく設定した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、羽根車等のロータ
を回転駆動するロータシャフトを非接触で５軸に軸支す
る磁気軸受装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば、高速回転するロータにより気体
の排気を行うターボ分子ポンプにあっては、ロータを回
転駆動するロータシャフトを２個のラジアル磁気軸受と
１個のアキシャル磁気軸受とを有する磁気軸受装置で５
軸制御可能に浮上軸支することが広く行われている。

【０００３】図６は、ラジアル磁気軸受として能動形磁
気軸受を使用した、この種の磁気軸受装置の従来の一般
的な構成を示すもので、この磁気軸受装置は、一端に羽
根車等のロータ１０を固着したロータシャフト１２の回
転を除く５自由度の５軸方向を能動制御するようにした
ものである。

【０００４】すなわち、ロータシャフト１２のほぼ中央
には、モータ１４を構成するモータロータ１６が固着さ
れ、ステータ１８の該モータロータ１６と対向する位置
には、モータ１４を構成するモータステータ２０が配置
されている。このモータ１４を挟んでロータシャフト１
２の上下には、ロータ側ラジアル磁気軸受２２と反ロー
タ側ラジアル磁気軸受２４が設けられ、更にその外側に
ロータ側タッチベアリング２６と反ロータ側タッチベア
リング２８が設けられている。そして、ロータシャフト
１２の反ロータ側下端にアキシャル磁気軸受３０が配置
されている。

【０００５】ロータ側ラジアル磁気軸受２２は、ロータ
シャフト１２の互いに対面する被センサ部３２を介して
ロータシャフト１２のラジアル変位を検出するラジアル
変位センサ３４と、ロータシャフト１２の互いに対面す
る被軸受部３６を介してロータシャフト１２をラジアル
方向に支持するラジアル電磁石３８とを有している。そ
して、ラジアル変位センサ３４によるロータシャフト１
２のラジアル変位の検出量に基づき、ラジアル電磁石３
８の磁気力をロータシャフト１２が対向した一対のラジ
アル変位センサ３４の中心付近にくるように制御するよ
うになっている。

【０００６】反ロータ側ラジアル磁気軸受２４も同様
に、ロータシャフト１２の被センサ部４０を介してロー
タシャフト１２のラジアル変位を検出するラジアル変位
センサ４２と、ロータシャフト１２の被軸受部４４を介
してロータシャフト１２をラジアル方向に支持するラジ
アル電磁石４６とを有しており、その作用は前述と同様
である。

【０００７】一方、アキシャル磁気軸受３０は、ロータ
シャフト１２の下端に着脱自在に繋着されるアキシャル
ディスク５０と、このアキシャルディスク５０を介して
ロータシャフト１２のアキシャル変位を検出するアキシ
ャル変位センサ５２と、アキシャルディスク５０を挟ん
で上下に配置されたアキシャル電磁石５４とを有してい
る。そして、アキシャル変位センサ５２によるロータシ
ャフト１２のアキシャル変位の検出量に基づき、アキシ
ャル電磁石５４の磁気力をアキシャルディスク５０が所
定の位置にくるように制御するようになっている。

【０００８】ここで、ロータシャフト１２の径寸法は、
組立上、ロータ側から反ロータ側に向かう程、徐々に小
径となるか、若しくは同じ寸法に設定されている。つま
り、ロータシャフト１２のロータ側タッチベアリング２
６における被支持部５６の外径ｄ_１、ロータ側ラジアル
磁気軸受２２における被センサ部３２の外径ｄ_２、被軸
受部３６の外径ｄ_３、モータロータ１６の外径ｄ_４、反
ロータ側ラジアル磁気軸受２４における被軸受部４４の
外径ｄ_５、被センサ部４０の外径ｄ_６及び反ロータ側タ
ッチベアリング２８における被支持部５８の外径ｄ
_７が、（ｄ_１≧ｄ_２≧ｄ_３≧ｄ_４≧ｄ_５≧ｄ_６≧ｄ_７）
の関係となるようになっている。この例にあっては、ロ
ータ側タッチベアリング２６における被支持部５６の外
径ｄ_１及び反ロータ側タッチベアリング２８における被
支持部５８の外径ｄ_７を除くこれらの寸法は全て等しく
（ｄ_２＝ｄ_３＝ｄ_４＝ｄ_５＝ｄ_６）設定されている。

【０００９】一方、ロータシャフト１２に対面するよう
に配置されたステータ１８側の各部の内径は、組立上、
ロータから反ロータ側に向かう程、徐々に小径となる
か、若しくは同じ寸法に設定されている。つまり、ロー
タ側タッチベアリング２６の内径Ｄ_１、ロータ側ラジア
ル磁気軸受２２のラジアル変位センサ３４の内径Ｄ_２、
ラジアル電磁石３８の内径Ｄ_３、モータステータ２０の
内径Ｄ_４、反ロータ側ラジアル磁気軸受２４のラジアル
電磁石４６の内径Ｄ_５、ラジアル変位センサ４２の内径
Ｄ_６及び反ロータ側タッチベアリング２８の内径Ｄ
_７が、（Ｄ_１≧Ｄ_２≧Ｄ_３≧Ｄ_４≧Ｄ_５≧Ｄ_６≧Ｄ_７）
の関係となるようになっている。この例にあっては、ロ
ータ側タッチベアリング２６の内径Ｄ_１及び反ロータ側
タッチベアリング２８の内径Ｄ_７を除くこれらの寸法は
全て等しく（Ｄ_２＝Ｄ_３＝Ｄ_４＝Ｄ_５＝Ｄ_６）設定され
ている。

【００１０】なお、組立可能な範囲であれば、Ｄ_１＜Ｄ
_２の場合もあり得る。このような構成の磁気軸受装置で
ロータシャフトとステータの組立は、ロータシャフトに
ロータを組み付けた状態でロータシャフトとステータの
組立が行われる。

【００１１】ここで、タッチベアリング２６，２８は、
ロータシャフト１２を磁気軸受２２，２４，３０で支承
しない時に、ロータシャフト１２やモータロータ１６
が、ステータ１８と直接接触しないようにロータシャフ
ト１２を保持する役目がある。このため、磁気軸受２
２，２４，３０の磁気力や、ロータシャフト１２及びモ
ータロータ１６とステータ１８の各部との間の隙間を考
慮して、ロータシャフト１２との間の隙間と位置が設定
されている。また、機能上、ロータシャフト１２とタッ
チベアリング２６，２８の内輪部とのラジアル方向及び
アキシャル方向の隙間は、それぞれの磁気軸受２２，２
４，３０及びモータ１４の隙間より小さく設定されてい
る。厳密には、ロータシャフト１２を磁気軸受２２，２
４，３０で支承させない状態から、各磁気軸受２２，２
４，３０で支承する際の立ち上げのため、またはロータ
シャフト１２のバランスが崩れたときの条件や、ロータ
シャフト１２の回転の負荷が増大したときの条件等を考
慮して設定されている。

【００１２】なお、この例では、ラジアル磁気軸受とし
て、能動形磁気軸受を使用した例を示しているが、永久
磁石等を用いた受動形磁気軸受で４軸方向の任意の軸数
を支承することも広く行われている。

【００１３】このような磁気軸受装置において、ロータ
側タッチベアリング２６の内径Ｄ_１と被支持部５６の外
径ｄ_１との間の隙間（Ｄ_１−ｄ_１）、ロータ側ラジアル
磁気軸受２２のラジアル変位センサ３４の内径Ｄ_２と被
センサ部３２の外径ｄ_２との間の隙間（Ｄ_２−ｄ_２）、
ラジアル電磁石３８の内径Ｄ_３と被軸受部３６の外径ｄ
_３との間の隙間（Ｄ_３−ｄ_３）、モータステータ２０の
内径Ｄ_４とモータロータ１６の外径ｄ_４との間の隙間
（Ｄ_４−ｄ_４）、反ロータ側ラジアル磁気軸受２４のラ
ジアル電磁石４６の内径Ｄ_５と被軸受部４４の外径ｄ_５
との間の隙間（Ｄ _５−ｄ_５）、ラジアル変位センサ４２
の内径Ｄ_６と被センサ部４０の外径ｄ_６との間の隙間
（Ｄ_６−ｄ_６）及び反ロータ側タッチベアリング２８の
内径Ｄ_７と被支持部５８の外径ｄ_７との間の隙間（Ｄ_７
−ｄ_７）は、それぞれ性能・機能を考慮して、非常に微
小な寸法（約０．１〜０．５ｍｍ）に設定されている。

【００１４】また、加工や組立等の生産性の観点から、
前述のように、ロータシャフト１２側の磁気軸受部やモ
ータ部の外径（ｄ_２〜ｄ_６）を同径として、これらに対
面するステータ１８側の各部の内径（Ｄ_２〜Ｄ_６）を同
径に構成するのが一般的である。これによって、ステー
タ側の各部の内径（Ｄ_２〜Ｄ_６）とロータシャフト側の
各部の外径（ｄ_２〜ｄ_６）との間の隙間（Ｄ_２−ｄ_２〜
Ｄ_６−ｄ_６）は一定となり、また、これら隙間（Ｄ_２−
ｄ_２〜Ｄ_６−ｄ_６）が、タッチベアリング２６，２８の
内径Ｄ_１，Ｄ_７とロータシャフト１２の被支持部５６，
５８の外径ｄ_１，ｄ_７との間の隙間、いわゆるタッチベ
アリング隙間（Ｄ_１−ｄ_１，Ｄ_７−ｄ_７）より大きくな
るように設定されている。

【００１５】一方、ロータシャフト１２のラジアル磁気
軸受部における各部の外径（ｄ_２〜ｄ_６）が同径でない
場合でも、組立上、前述のように、これらの外径が（ｄ
_２＞ｄ_３＞ｄ_４＞ｄ_５＞ｄ_６）なる条件で構成される
場合には、磁気軸受部やモータ部におけるロータとステ
ータとの間の各隙間が一定となるように、ステータ側の
各部の内径も（Ｄ_２＞Ｄ_３＞Ｄ_４＞Ｄ_５＞Ｄ_６）なる関
係で構成されるのが一般的である。これは、タッチベア
リング隙間（Ｄ_１−ｄ_１，Ｄ_７−ｄ_７）と、ラジアル磁
気軸受部やモータ部におけるロータシャフト側の各部の
外径とステータ側の各部の内径との間の隙間（Ｄ_２−ｄ
_２〜Ｄ_６−ｄ_６）の差を一定に保ち、ロータシャフト１
２をタッチベアリング２６，２８で支持した時にロータ
シャフト１２とステータ１８とが接触しないようにする
ための、いわゆる“ニゲ”を任意の箇所で同一にすると
いう考えによる。

【００１６】ここで、最近の磁気軸受技術の発展は目覚
ましく、耐熱性が高くかつ大電流容量のコイル巻線の開
発や、電磁石や誘導型センサのコアになる磁性材料の改
良等により、電磁石の改良や変位センサの改良が図られ
る一方、永久磁石の改良も行われている。これにより、
隙間を従来のままで能力を大幅に向上させた磁気軸受が
開発されている。

【００１７】また、モータ部においては、力率改善回路
の採用や、誘導型から効率のよい直流型モータの採用に
よる効率の改良が行われているが、近年の真空ポンプに
対する要求、すなわち、高い圧力での運転、多くの
ガス量の排気、ポンプのコンパクト化、を実現させる
ためには、モータ部の性能向上が必須である。特に近
年、ターボ分子ポンプのコンパクト化と性能向上を図る
ために、ロータシャフトを極力細くするようになってい
る。こうすれば、磁気軸受部やロータ（羽根車）をコン
パクト化することができる。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、モータ
の性能は、モータのロータとステータとの対面部の面積
やロータとステータとの間の隙間等の設計パラメータに
よるところが大きい。このため、ロータシャフトを細く
すると必然的にモータ部の軸方向寸法、ひいてはロータ
シャフトの軸方向寸法を大きくとる必要があり、それに
伴い、ポンプが大きく（長く）なって、コンパクト化の
障害になるという問題があった。またモータ部における
ロータとステータとの間の隙間は、前述のように、磁気
軸受部におけるロータとステータとの間の隙間と同一に
設定されていたため、モータの効率が悪く、モータを駆
動させるためのモータドライバも大きくなってしまうと
いう問題があった。

【００１９】本発明は、上記事情に鑑みて為されたもの
で、磁気軸受と一体になったモータのコンパクト化を図
りつつモータとしての効率と性能を向上させ、これによ
って、ポンプ等の磁気軸受装置を組み込んだ製品や、そ
れを駆動及び制御するコントローラのコンパクト化を実
現できるようにした磁気軸受装置を提供することを目的
とする。

【００２０】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、モータロータと一体に回転するロータシャフトを２
個のラジアル磁気軸受と１個のアキシャル磁気軸受によ
り浮上軸支した５軸形磁気軸受装置において、前記ラジ
アル磁気軸受の少なくとも１つとして能動形磁気軸受を
使用し、前記モータロータの外径と該モータロータと対
面するモータステータの内径との間の隙間を、前記能動
形磁気軸受のラジアル変位センサの内径と該変位センサ
に対面するロータシャフトの被センサ部の外径との間の
隙間、または前記能動形磁気軸受のラジアル電磁石の内
径と該電磁石に対面するロータシャフトの被軸受部の外
径との間の隙間の少なくとも一方より小さく設定したこ
とを特徴とする磁気軸受装置である。

【００２１】これにより、モータの効率を向上させて、
モータ部及び／又はモータドライバ部のコンパクト化を
図り、結果的に磁気軸受装置全体のコンパクト化を実現
することができる。

【００２２】つまり、モータのロータとステータとの間
の隙間での磁束密度とモータで発生するトルクには次の
ような関係がある。Ｔ＝Ｋ_１・Ｂ・Ｉここに、Ｔ：モータで発生するトルクＫ_１：係数Ｂ：ロータとステータとの間の隙間での磁束密度Ｉ：モータステータ巻線部の電流また、ロータとステータ間の磁束密度とロータとステー
タとの間の隙間には次のような関係がある。Ｂ＝Ｋ_２／δ ここに、Ｋ_２：係数、 δ：ロータとステータの隙間従って、モータのロータとステータとの間の隙間を可及
的に小さく設定することにより、モータで発生するトル
クを大きくすることができる。

【００２３】請求項２に記載の発明は、前記ロータシャ
フトに真空ポンプのロータを連結したことを特徴とする
請求項１に記載の磁気軸受装置である。これにより、特
に、真空ポンプの軸方向寸法（高さ寸法）を小さくし
て、真空ポンプのコンパクト化を図るとともに、ポンプ
の運転可能範囲（ポンプの許容排気ガス量やポンプの運
転可能圧力の範囲）を広くとることができる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図１
乃至図５を参照して説明する。なお、図６に示す従来例
と同一部材には同一符号を付してその説明を一部省略す
る。

【００２５】図１及び図２は、図６に示す従来例と同様
に、ラジアル磁気軸受として能動形磁気軸受を使用した
本発明の第１の第１の実施の形態の磁気軸受装置を示
す。これは、ロータシャフト１２側の各部にあっては、
ロータシャフト１２のロータ側タッチベアリング２６に
おける被支持部５６の外径ｄ_１、ロータ側ラジアル磁気
軸受２２における被センサ部３２の外径ｄ_２、被軸受部
３６の外径ｄ_３、反ロータ側ラジアル磁気軸受２４にお
ける被軸受部４４の外径ｄ_５、被センサ部４０の外径ｄ
_６及び反ロータ側タッチベアリング２８における被支持
部５８の外径ｄ_７が、（ｄ_１≧ｄ_２≧ｄ_３≧ｄ_５≧ｄ_６
≧ｄ_７）の関係となるようになっている。この例にあっ
ては、ロータ側タッチベアリング２６における被支持部
５６の外径ｄ_１及び反ロータ側タッチベアリング２８に
おける被支持部５８の外径ｄ_７を除くこれらの寸法は全
て等しく（ｄ_２＝ｄ_３＝ｄ_５＝ｄ_６）設定されている。
そして、モータロータ１６の外径ｄ_４がこれらの外径よ
りも大きく（ｄ_４＞ｄ_２＝ｄ _３＝ｄ_５＝ｄ_６）設定され
ている。

【００２６】一方、ステータ１８側の各部にあっては、
ロータ側ラジアル磁気軸受２２のラジアル変位センサ３
４の内径Ｄ_２、ラジアル電磁石３８の内径Ｄ_３、モータ
ステータ２０の内径Ｄ_４、反ロータ側ラジアル磁気軸受
２４のラジアル電磁石４６の内径Ｄ_５及びラジアル変位
センサ４２の内径Ｄ_６が等しく、ロータ側タッチベアリ
ング２６の内径Ｄ_１が等しいか又は大きく、反ロータ側
タッチベアリング２８の内径Ｄ_７のみが小径となる（Ｄ
_１≧Ｄ_２＝Ｄ_３＝Ｄ_４＝Ｄ_５＝Ｄ_６＞Ｄ_７）ように設定
されている。

【００２７】これにより、ロータ側ラジアル磁気軸受２
２のラジアル変位センサ３４の内径Ｄ_２と被センサ部３
２の外径ｄ_２との間の隙間（Ｄ_２−ｄ_２）、ラジアル電
磁石３８の内径Ｄ_３と被軸受部３６の外径ｄ_３との間の
隙間（Ｄ_３−ｄ_３）、反ロータ側ラジアル磁気軸受２４
のラジアル電磁石４６の内径Ｄ_５と被軸受部４４の外径
ｄ_５との間の隙間（Ｄ_５−ｄ_５）、ラジアル変位センサ
４２の内径Ｄ_６と被センサ部４０の外径ｄ_６との間の隙
間（Ｄ_６−ｄ_６）は等しく（Ｄ_２−ｄ_２＝Ｄ_３−ｄ_３＝
Ｄ_５−ｄ_５＝Ｄ_６−ｄ_６）、モータステータ２０の内径
Ｄ_４とモータロータ１６の外径ｄ_４との間の隙間（Ｄ_４
−ｄ_４）はこれらの隙間よりも小さくなる（Ｄ_４−ｄ_４
＜Ｄ_２−ｄ_２＝Ｄ_３−ｄ_３＝Ｄ_５−ｄ_５＝Ｄ_６−ｄ_６）
ようになっている。

【００２８】この寸法差（（Ｄ_２−ｄ_２）−（Ｄ_４−ｄ
_４））は、数μｍ〜数１００μｍで好ましくは５μｍ〜
１００μｍ、更に好ましくは５μｍ〜５０μｍに設定さ
れているが、直径で５μｍ以上あれば性能及び機能上、
十分である。

【００２９】なお、ロータ側タッチベアリング２６の内
径Ｄ_１と被支持部５６の外径ｄ_１との間の隙間（Ｄ_１−
ｄ_１）及び反ロータ側タッチベアリング２８の内径Ｄ_７
と被支持部５８の外径ｄ_７との間の隙間（Ｄ_７−ｄ_７）
はほぼ等しく、前述の各隙間より小さく（Ｄ_１−ｄ_１≒
Ｄ_７−ｄ_７＜Ｄ_２−ｄ_２，Ｄ_３−ｄ_３，Ｄ_４−ｄ_４，Ｄ
_５−ｄ_５，Ｄ_６−ｄ_６）設定されている。これによっ
て、タッチベアリング２６，２８がその機能を満たすよ
うになっている。このタッチベアリング部における隙間
は、例えば０．１〜０．２ｍｍ（Ｄ_１−ｄ_１＝Ｄ_７−ｄ
_７＝０．１〜０．２ｍｍ）程度であり、せいぜい１ｍｍ
以下である。

【００３０】このように、モータステータ２０の内径Ｄ
_４とモータロータ１６の外径ｄ_４との間の隙間（Ｄ_４−
ｄ_４）を、ラジアル磁気軸受２２，２４における各隙間
よりも小さく（Ｄ_４−ｄ_４＜Ｄ_２−ｄ_２＝Ｄ_３−ｄ_３＝
Ｄ_５−ｄ_５＝Ｄ_６−ｄ_６）設定することで、モータ１４
の隙間（Ｄ_４−ｄ_４）を可及的に小さく設定でき、これ
によって、モータの効率及び性能を向上させることがで
き、磁気軸受装置や、それを運転制御するためのコント
ローラ等をコンパクトにすることができる。ここで、ロ
ータシャフト１２側の各部の外径（ｄ_１〜ｄ_７）及びス
テータ１８側の各部の内径（Ｄ_１〜Ｄ_７）は、具体的に
は、約２０〜６０ｍｍ程度であり、数１０ｍｍから数１
００ｍｍまで適応できる。

【００３１】この実施の形態における磁気軸受装置の具
体的寸法（基準寸法）は、以下の通りである。この寸法
は、あくまでも一例であり、これに限定されないことは
勿論である。Ｄ_１＝３２ｍｍＤ_２＝Ｄ_３＝Ｄ_４＝Ｄ_５＝Ｄ_６＝３０ｍｍＤ_７＝２５ｍｍｄ_１＝３１．８ｍｍｄ_２＝ｄ_３＝ｄ_５＝ｄ_６＝２９．７ｍｍｄ_４＝２９．７２ｍｍｄ_７＝２４．８ｍｍなお、ラジアル磁気軸受２２，２４における前記各隙間
（Ｄ_２−ｄ_２，Ｄ_３−ｄ_３，Ｄ_５−ｄ_５，Ｄ_６−ｄ_６）
の大きさには一定の制限があり、この隙間を小さくでき
ない。これは、以下の理由による。

【００３２】すなわち、磁気軸受２２，２４，３０が作
動していない時、ロータシャフト１２はタッチベアリン
グ２６，２８にタッチしている状態にある。つまり、地
面に対してポンプを縦置きにした場合、図２（ｂ）に示
すように、モータ１４を中心にしてロータシャフト１２
がタッチベアリング２６，２８に対して斜めに接触す
る。モータ１４は、ロータシャフト１２のほぼ中心にあ
り、ロータシャフト１２が斜めになって、ロータシャフ
ト１２とステータ１８との間の隙間が減少しても、この
影響を受けにくい。すなわち、ロータシャフト１２が斜
めになると、ロータシャフト１２の上側及び下側でロー
タシャフト１２とステータ１８との間の隙間ａ，ｃが減
少するが、モータロータ１６とモータステータ２０との
間に隙間ｂは、それ程減少しない。

【００３３】また、ロータシャフト１２のバランスが崩
れた場合、ロータシャフト１２を所定位置に保持しよう
として、ラジアル電磁石３８，４６のステータ側巻線に
電流が多く流れる状態になる。これにより、ラジアル電
磁石３８，４６のステータ側のコアが昇温され、輻射に
よってラジアル電磁石３８，４６のロータシャフト側も
昇温される。また、ステータ側の電流増大により、ロー
タシャフト１２の渦電流も増大し、より一層昇温され
る。これにより、ラジアル電磁石３８，４６のロータシ
ャフト部が熱膨張し、ロータシャフト１２とステータ１
８の間の隙間が減少もしくはなくなる。

【００３４】一方、磁気軸受装置は、高速回転体を支持
するものとして一般的に使用されており、高速回転する
ロータシャフト１２をタッチベアリング２６，２８で支
持した場合、タッチベアリング２６，２８は激しく損傷
を受ける。その結果、タッチベアリング２６，２８のガ
タ（外輪、転動体、内輪の相対的変位）が増大し、タッ
チベアリング２６，２８がロータシャフト１２を支持し
ても、ロータシャフト１２とステータ１８との間の隙間
を確保できなくなり、直接接触する可能性がある。な
お、タッチベアリングの改良は行われているが、ロータ
シャフトが高速回転（定格回転数付近）でタッチダウン
した場合には、タッチベアリングの損傷が激しく、５〜
１０回程度の耐久性しかないのが現状である。

【００３５】上記の理由により、ラジアル磁気軸受２
２，２４における前記各隙間（Ｄ_２−ｄ_２，Ｄ_３−
ｄ_３，Ｄ_５−ｄ_５，Ｄ_６−ｄ_６）を小さくすると、磁気
軸受部でロータシャフト１２がステータ１８に接触して
しまう可能性がある。このため、この隙間として、一定
の大きさを確保する必要がある。

【００３６】また、タッチベアリング２６，２８が損傷
を受けると、この損傷による破片などの異物が生じる。
この異物がロータシャフト１２とステータ１８との間の
微小な隙間に入り込むとロータシャフト１２とステータ
１８がロックしてしまう可能性がある。しかし、この例
のように、異物を発生しやすいタッチベアリング２６，
２８の近傍、すなわち、ラジアル磁気軸受部における隙
間をモータ部における隙間と比較して大きく設定するこ
とにより、異物によるロータシャフト１２のロックの可
能性を低減することができる。

【００３７】また、実際に異物が隙間に入り込んだ時で
も、モータ部における微小な隙間へ異物が侵入する前に
ラジアル磁気軸受部で粉砕してしまい、異物を小さくし
てしまうので、モータ部でロックする可能性を非常に低
くすることができる。

【００３８】なお、この実施の形態では、モータステー
タ２０の内径Ｄ_４とモータロータ１６の外径ｄ_４との間
の隙間（Ｄ_４−ｄ_４）を、ラジアル磁気軸受２２，２４
における各隙間よりも小さく（Ｄ_４−ｄ_４＜Ｄ_２−ｄ_２
＝Ｄ_３−ｄ_３＝Ｄ_５−ｄ_５＝Ｄ_６−ｄ_６）するため、モ
ータロータ１６の外径ｄ_４をロータシャフト１２側のラ
ジアル磁気軸受２２，２４における各外径（ｄ_２，
ｄ_３，ｄ_５，ｄ_６）より大きくしているが、これらの外
径を全て等しく（ｄ_２＝ｄ_３＝ｄ_４＝ｄ_５＝ｄ_６）設定
し、モータステータ２０の内径Ｄ_４をステータ側のラジ
アル磁気軸受２２，２４における各内径よりも小さく
（Ｄ_４＜Ｄ_２＝Ｄ_３＝Ｄ_５＝Ｄ_６）するようにしてもよ
い。

【００３９】図３は、図１に示す磁気軸受装置をターボ
分子ポンプに適用した例を示す。このターボ分子ポンプ
のロータシャフト１２の上端には、回転翼６０とねじ溝
部６２とを有するロータ（羽根車）６４が固着されてい
る。そして、ポンプケーシング６６の内面には、回転翼
６０と交互に固定翼６８が配置され、これによって、高
速回転する回転翼６０と静止している固定翼６８の相互
作用によって排気を行う翼排気部Ｌ_１が構成されてい
る。また、ねじ溝部６２の外周を囲むようにねじ溝部ス
ペーサ７０が配置され、これによって、高速回転するね
じ溝部６２のねじ溝６２ａのドラッグ作用によって排気
を行うねじ溝排気部Ｌ_２が構成されている。このよう
に、翼排気部Ｌ_１の下流側にねじ溝排気部Ｌ_２を設ける
ことで、広い流量範囲に対応可能となっている。

【００４０】なお、モータロータ１６の外径ｄ_４がロー
タシャフト１２のラジアル磁気軸受２２，２４の被セン
サ部３２，４０の外径ｄ_２，ｄ_６及び被軸受部３６，４
４の外径ｄ_３，ｄ_５より大径に設定されて、モータステ
ータ２０とモータロータ１６との間の隙間が、ラジアル
磁気軸受２２，２４における各隙間よりも小さくなって
いることは前述と同様である。

【００４１】近年、例えば半導体製造に使用される真空
ポンプでは、真空排気すべきガス量が多くなるととも
に、運転される圧力もガス量が多くなるに伴って高くな
りつつある。そのため、真空ポンプのロータを回転させ
ているモータも高出力が必要になっている。特に、高真
空域をつくり出すターボ分子ポンプの場合、運転圧力の
上昇に伴って吸気側に配設されている翼排気部での回転
のための必要動力が急激に増大するため、モータの出力
がより一層必要になる。しかしながら、半導体製造装置
のコンパクト化、保守性向上のため真空ポンプに許容さ
れるスペースは小さくなりつつあり、真空ポンプのコン
パクト化及び性能向上が切望されている。この例によれ
ば、モータ部の高効率化、コンパクト化により真空ポン
プのコンパクト化が図れる。

【００４２】特に、５軸形磁気軸受装置を用いた真空ポ
ンプの場合、モータを中心にラジアル軸受が配設されて
いるため、必然的にロータシャフトの長さが長くなり、
真空ポンプの軸方向寸法が大きくなってしまう。この例
によれば、モータの軸方向寸法も小さくできるので、ポ
ンプのコンパクト化のみならず、ロータシャフトが短く
なる。これにより、ロータシャフトの固有値を高く設定
でき、磁気軸受の制御安定性やそれに伴う回転安定性も
充分に確保することができる。

【００４３】図４は、本発明の第２の実施の形態の磁気
軸受装置を示す。この例では、ロータシャフト１２のロ
ータ側タッチダウンベアリング２６における被支持部５
６の外径ｄ_１、ロータ側ラジアル磁気軸受２２における
被センサ部３２の外径ｄ_２、被軸受部３６の外径ｄ_３、
反ロータ側ラジアル磁気軸受２４における被軸受部４４
の外径ｄ_５、被センサ部４０の外径ｄ_６の寸法が全て等
しく（ｄ_１＝ｄ_２＝ｄ _３＝ｄ_４＝ｄ_５＝ｄ_６）設定され
ている。そして、モータロータ１６の外径ｄ_４がこれら
の外径よりも大きく（ｄ_４＞ｄ_１＝ｄ_２＝ｄ_３＝ｄ_５＝
ｄ_６）設定されている。一方、ステータ１８側の各部に
あっては、ロータ側ラジアル磁気軸受２２のラジアル変
位センサ３４の内径Ｄ_２、ラジアル電磁石３８の内径Ｄ
_３、モータステータ２０の内径Ｄ_４、反ロータ側ラジア
ル磁気軸受２４のラジアル電磁石４６の内径Ｄ_５及びラ
ジアル変位センサ４２の内径Ｄ_６が等しく、これらの寸
法よりロータ側タッチベアリング２６の内径Ｄ_１が小径
に、また反ロータ側タッチベアリング２８の内径Ｄ_７は
より小径になる（Ｄ_２＝Ｄ_３＝Ｄ_４＝Ｄ_５＝Ｄ_６＞Ｄ_１
＞Ｄ_７）ように設定されている。これにより、前記第１
の実施の形態と同様な効果の他に更に次のような効果を
得ることができる。

【００４４】ロータシャフト１２の各部の外径寸法をラ
ジアル磁気軸受部ｄ_２，ｄ_３，ｄ_５，ｄ_６のみならずロ
ータ側タッチベアリング２６における被支持部５６の外
径ｄ _１も同一にしているため、同部の加工を同時に行う
ことが可能となる。一般的にロータシャフトの外径部は
研磨等により加工が行われるため、この実施の形態では
研磨用砥石を同径寸法部にあわせて幅広く設定でき、加
工性が向上する。

【００４５】また、この実施の形態では、ロータ側タッ
チベアリング２６の内径Ｄ_１を図１に示す第１の実施の
形態より小さく設定しているので、次のような効果があ
る。ロータ側タッチベアリング２６の内径Ｄ_１をロータ
シャフト１２がステータに組み立て可能な寸法の範囲で
極力小さく設定することにより、ロータ側タッチベアリ
ング２６の内輪の体積を可及的に大きくすることができ
る。タッチベアリングの内輪はタッチダウン時の衝撃及
び回転エネルギにより発熱を生じる。ここで、内輪の体
積が大きければ、内輪の熱容量を大きくすることがで
き、タッチダウン時のタッチベアリングの内輪の過熱を
防止することができる。また、タッチベアリングの内輪
の径方向寸法が大きくなることにより、内輪の剛性が高
くなり、タッチダウン時の内輪軌道面の変形も小さく抑
えられる。よって、ロータシャフトがタッチベアリング
にタッチダウンした際の耐久性が向上し、信頼性の高い
磁気軸受装置となる。この磁気軸受装置をターボ分子ポ
ンプに適用した場合、図３に示すように、ロータは釣鐘
状でロータシャフトにオーバーハング状態で取り付けら
れるのが一般的である。この場合、ロータとロータシャ
フトの全体の重心位置がロータ側タッチベアリングの近
傍になり、ロータ側タッチベアリングは高い負荷能力を
必要とするため、上述の実施の形態が非常に有効であ
る。

【００４６】図５は、本発明の第３の実施の形態の磁気
軸受装置を示す。この例では、ロータシャフト１２側の
各部にあっては、ロータシャフト１２のロータ側タッチ
ベアリング２６における被支持部５６の外径ｄ_１、ロー
タ側ラジアル磁気軸受２２における被センサ部３２の外
径ｄ_２、被軸受部３６の外径ｄ_３、反ロータ側ラジアル
磁気軸受２４における被軸受部４４の外径ｄ_５、被セン
サ部４０の外径ｄ_６及び反ロータ側タッチベアリング２
８における被支持部５８の外径ｄ_７が、（ｄ_１＞ｄ_２＞
ｄ_３＞ｄ_５＞ｄ_６＞ｄ_７）の関係となるようになってい
る。

【００４７】一方、ステータ１８側の各部にあっては、
ロータ側タッチベアリング２６の内径Ｄ_１、ロータ側ラ
ジアル磁気軸受２２のラジアル変位センサ３４の内径Ｄ
_２、ラジアル電磁石３８の内径Ｄ_３、モータステータ２
０の内径Ｄ_４、反ロータ側ラジアル磁気軸受２４のラジ
アル電磁石４６の内径Ｄ_５、ラジアル変位センサ４２の
内径Ｄ_６、及び反ロータ側タッチベアリング２８の内径
Ｄ_７が、（Ｄ_１＝Ｄ_２＞Ｄ_３＞Ｄ_４＞Ｄ_５＞Ｄ_６＞
Ｄ_７）の関係となっている。

【００４８】そして、モータロータ１６の外径ｄ_４は、
これとモータステータ２０の内径Ｄ _４との間の隙間（Ｄ
_４−ｄ_４）が、ロータ側ラジアル磁気軸受２２のラジア
ル変位センサ３４の内径Ｄ_２と被センサ部３２の外径ｄ
_２との間の隙間（Ｄ_２−ｄ_２）、ラジアル電磁石３８の
内径Ｄ_３と被軸受部３６の外径ｄ_３との間の隙間（Ｄ _３
−ｄ_３）、反ロータ側ラジアル磁気軸受２４のラジアル
電磁石４６の内径Ｄ_５と被軸受部４４の外径ｄ_５との間
の隙間（Ｄ_５−ｄ_５）、ラジアル変位センサ４２の内径
Ｄ_６と被センサ部４０の外径ｄ_６との間の隙間（Ｄ_６−
ｄ_６）よりも小さくなる（Ｄ_４−ｄ_４＜Ｄ_２−ｄ_２，Ｄ
_３−ｄ_３，Ｄ_５−ｄ_５，Ｄ_６−ｄ_６）ように設定されて
いる。

【００４９】なお、タッチベアリング２６，２８におけ
る各隙間（Ｄ_１−ｄ_１，Ｄ_７−ｄ_７）は前述と同様であ
る。このように構成しても前記第１の実施の形態と同様
な効果を得ることができる。

【００５０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
モータのコンパクト化を図りつつ、モータとしての効率
及び性能を向上させることができる。これにより、必然
的にロータシャフトの軸方向寸法が長くなる５軸形磁気
軸受装置においては、ロータシャフトの軸方向寸法を小
さくしてよりコンパクト化を図るとともに、磁気軸受の
支持及びモータによる回転の安定を確保することができ
る。また、本磁気軸受装置のコンパクト化により、同装
置を使った真空ポンプ等の大きさも小さくできるととも
に、排気性能の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の磁気軸受装置の断
面図である。

【図２】（ａ）は、図１に示す磁気軸受装置において、
ロータシャフトを磁気軸受で支承している時の状態を、
（ｂ）は、ロータシャフトを磁気軸受で支承していない
時の状態をそれぞれ模式的に示す断面図である。

【図３】図１に示す磁気軸受装置を備えたターボ分子ポ
ンプの断面図である。

【図４】本発明の第２の実施の形態の磁気軸受装置の断
面図である。

【図５】本発明の第３の実施の形態の磁気軸受装置の断
面である。

【図６】従来の磁気軸受装置の断面図である。

【符号の説明】

１０ロータ１２ロータシャフト１４モータ１６モータロータ１８ステータ２０モータステータ２２，２４ラジアル磁気軸受２６，２８タッチベアリング３０アキシャル磁気軸受３２，４０被センサ部３４，４２ラジアル変位センサ３６，４４被軸受部３８，４６ラジアル電磁石５０アキシャルディスク５２アキシャル変位センサ５４アキシャル電磁石５６，５８被支持部６０回転翼６２ねじ溝部６４ロータ（羽根車）６６ポンプケーシング６８固定翼７０ねじ溝部スペーサＬ_１翼排気部Ｌ_２ねじ溝排気部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 3H031 DA02 EA00 EA09 EA12 EA15 FA11 FA13 3J102 AA01 BA03 CA19 CA21 DA02 DA03 DA09 DB05 GA19

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】モータロータと一体に回転するロータシ
ャフトを２個のラジアル磁気軸受と１個のアキシャル磁
気軸受により浮上軸支した５軸形磁気軸受装置におい
て、前記ラジアル磁気軸受の少なくとも１つとして能動形磁
気軸受を使用し、前記モータロータの外径と該モータロータと対面するモ
ータステータの内径との間の隙間を、前記能動形磁気軸
受のラジアル変位センサの内径と該変位センサに対面す
るロータシャフトの被センサ部の外径との間の隙間、ま
たは前記能動形磁気軸受のラジアル電磁石の内径と該電
磁石に対面するロータシャフトの被軸受部の外径との間
の隙間の少なくとも一方より小さく設定したことを特徴
とする磁気軸受装置。
【請求項２】前記ロータシャフトに真空ポンプのロー
タを連結したことを特徴とする請求項１に記載の磁気軸
受装置。