JP2006017261A - 工作機械用磁気軸受 - Google Patents
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Abstract
【課題】 強力な永久磁石を利用した非接触で作動する磁気軸受を提供する。
【解決手段】 ラジアル磁気軸受10は、インナレース11とアウタレース13を有する。インナレース11の外周面にはリング状の永久磁石12が取付けられ、アウタレース13の内周面にはリング状の永久磁石14が取付けられる。対向する一対の永久磁石12,14は強力な磁力を有し、同一の磁極面を有する。両磁石は最小間隙Gをもって配設され、その反発力によりインナレース11とアウタレース13は非接触で回転することができる。
【選択図】 図2
【解決手段】 ラジアル磁気軸受10は、インナレース11とアウタレース13を有する。インナレース11の外周面にはリング状の永久磁石12が取付けられ、アウタレース13の内周面にはリング状の永久磁石14が取付けられる。対向する一対の永久磁石12,14は強力な磁力を有し、同一の磁極面を有する。両磁石は最小間隙Gをもって配設され、その反発力によりインナレース11とアウタレース13は非接触で回転することができる。
【選択図】 図2
Description
本発明は、工作機械の主軸及び摺動部位において、一対の永久磁石の同極面を相対して配置することによる磁気反発力によって、支持体と被支持体との間に安定的で高精度に一定の間隙を設けることによって、両者間が接触することなく移動可能になる磁気軸受に関する。
従来、電磁石あるいは永久磁石を用いて、機械装置の荷重を受ける軸受を磁気軸受と言い、永久磁石の反発力によるもの、電磁石によるもの等が考えられる。
しかしながら、電磁石の電流を被支持体の変位に従って制御することによって、常に、被支持体を一定に保つ事を目的としたものであり、一対になった電磁石が被支持部を吸引しあい、変位センサから被支持体の位置信号を制御回路にフィードバックして被支持体を平衝位置に留めるように各電磁石に流す電流を制御し、被支持体は、支持体に対して全く無接触で宙に浮いて維持される。
また、永久磁石を利用した軸受については、DVDのメインスピンドル等極めて小型で軽負荷高速回転用として、V型断面を有する永久磁石とエア軸受を一対で併用される例があった。
これは、V型永久磁石によってラジアル方向の位置決めをし、スラスト方向への反発力を発生させ、回転軸の反対面に置かれたエアベアリングに適当な推力を発生させる様に構成されている。
特開平7−199095号公報
しかしながら、電磁石の電流を被支持体の変位に従って制御することによって、常に、被支持体を一定に保つ事を目的としたものであり、一対になった電磁石が被支持部を吸引しあい、変位センサから被支持体の位置信号を制御回路にフィードバックして被支持体を平衝位置に留めるように各電磁石に流す電流を制御し、被支持体は、支持体に対して全く無接触で宙に浮いて維持される。
また、永久磁石を利用した軸受については、DVDのメインスピンドル等極めて小型で軽負荷高速回転用として、V型断面を有する永久磁石とエア軸受を一対で併用される例があった。
これは、V型永久磁石によってラジアル方向の位置決めをし、スラスト方向への反発力を発生させ、回転軸の反対面に置かれたエアベアリングに適当な推力を発生させる様に構成されている。
電磁石を利用した支持方式については、一対になった電磁石が被支持体を吸引し合って支持される。
吸引磁気力は、被支持体と電磁石との間隙の二乗に反比例するため、何らかの理由で間隙が変化した場合、間隙が減少した側では、ますます減少する方向に作用し、間隙が拡大した側は、急激に吸引力が減少することとなり、ついには被支持体と支持体が接触することとなる。
安定的に間隙を維持するためには、間隙センサによるフィードバックは不可欠となり、そのフィードバック・サーボ系の制御精度及び応答特性が間隙の精度維持に直接影響を及ぼすこととなり、結果的に支持荷重の増大、サーボ剛性の増大によるバネ定数の増加、ひいては、精度の向上が非常に困難になる。
従って、一般的に支持容量が小さく、バネ定数が小さいため安定性を維持することが難しく、制御装置が複雑で高価となり、特殊な場合を除き一般的に使用することは困難であった。
また、V型断面を有する永久磁石とエア軸受との併用については、小型で軽荷重高速回転用であり、非常に特殊な目的のために使用されており、一般的な用途に供することは出来なかった。
本発明は、以上の問題を解決する工作機械用磁気軸受を提供するものである。
吸引磁気力は、被支持体と電磁石との間隙の二乗に反比例するため、何らかの理由で間隙が変化した場合、間隙が減少した側では、ますます減少する方向に作用し、間隙が拡大した側は、急激に吸引力が減少することとなり、ついには被支持体と支持体が接触することとなる。
安定的に間隙を維持するためには、間隙センサによるフィードバックは不可欠となり、そのフィードバック・サーボ系の制御精度及び応答特性が間隙の精度維持に直接影響を及ぼすこととなり、結果的に支持荷重の増大、サーボ剛性の増大によるバネ定数の増加、ひいては、精度の向上が非常に困難になる。
従って、一般的に支持容量が小さく、バネ定数が小さいため安定性を維持することが難しく、制御装置が複雑で高価となり、特殊な場合を除き一般的に使用することは困難であった。
また、V型断面を有する永久磁石とエア軸受との併用については、小型で軽荷重高速回転用であり、非常に特殊な目的のために使用されており、一般的な用途に供することは出来なかった。
本発明は、以上の問題を解決する工作機械用磁気軸受を提供するものである。
本発明の磁気軸受は、基本的な手段として、インナレースと、アウタレースを有し、インナレースの外周面とアウタレースの内周面に設けられる永久磁石を備え、対向する永久磁石は同極の磁極面を有し、最小間隙で配設されるものである。
永久磁石の同極を対向させる力はことによる反発力によって構成されるため、外乱要因によって間隙が変動することなく、常に間隙を正確に維持する自動求芯機能が成立すると共に、バネ定数も大きくなるため外乱による振動に対する減衰性が向上し、高速高精度で安定した支持が可能となる。
永久磁石は、非常に微細(直径0.3ミクロン程度)で粒子の揃った粉末磁気材の焼結合金であり、粒子一つ一つの磁気は全体的には平均化されるため、磁石全面での磁気のバラツキはなく、安定した支持が可能になる。
また、無接触なため消耗部位が皆無であり、制御装置が全く不要になり、永久磁石自体は半永久的に安定であるため長期に渡って安定した作動が可能であり、コストも安くなる。
永久磁石は、非常に微細(直径0.3ミクロン程度)で粒子の揃った粉末磁気材の焼結合金であり、粒子一つ一つの磁気は全体的には平均化されるため、磁石全面での磁気のバラツキはなく、安定した支持が可能になる。
また、無接触なため消耗部位が皆無であり、制御装置が全く不要になり、永久磁石自体は半永久的に安定であるため長期に渡って安定した作動が可能であり、コストも安くなる。
図1は、本発明の原理を示す説明図である。
一対の永久磁石1,2を同極面S,Sを対向させて間隙Gをもって配置したときに、その反発力Fは、
F(N)=K(m1・m2)/G2 (式1)
で表わされる。
ここで、Kは定数、m1,m2は、対向する一対の永久磁石の磁極の強さである。
上述の(式1)から磁極の強さが大きい永久磁石を微小間隔で配置したときに大きな反発力を得ることがわかる。
この原理は、表面磁極N,Nをもつ一対の永久磁石3,4を間隙Gをもって対向させたときにも適用される。
一対の永久磁石1,2を同極面S,Sを対向させて間隙Gをもって配置したときに、その反発力Fは、
F(N)=K(m1・m2)/G2 (式1)
で表わされる。
ここで、Kは定数、m1,m2は、対向する一対の永久磁石の磁極の強さである。
上述の(式1)から磁極の強さが大きい永久磁石を微小間隔で配置したときに大きな反発力を得ることがわかる。
この原理は、表面磁極N,Nをもつ一対の永久磁石3,4を間隙Gをもって対向させたときにも適用される。
図2は、上述した原理を利用したラジアル磁気軸受の構成を示す説明図である。
全体を符号10で示すラジアル磁気軸受は、インナレース11とアウタレース13を有する。インナレース11の外周面にはリング状の永久磁石12が取付けてあり、また、アウタレース13の内周面にもリング状の永久磁石14が取付けてある。
一対の永久磁石12,14は、互いに同一の極性面N,NまたはS,Sを対向させてあり、間隙Gをもたせてある。
上述した構成を備えることにより、インナレース11とアウタレース13は、非接触で相対回転することができる。
ラジアル磁気軸受を非接触で構成することができるので、回転抵抗が極めて小さい磁気軸受を得ることができる。
全体を符号10で示すラジアル磁気軸受は、インナレース11とアウタレース13を有する。インナレース11の外周面にはリング状の永久磁石12が取付けてあり、また、アウタレース13の内周面にもリング状の永久磁石14が取付けてある。
一対の永久磁石12,14は、互いに同一の極性面N,NまたはS,Sを対向させてあり、間隙Gをもたせてある。
上述した構成を備えることにより、インナレース11とアウタレース13は、非接触で相対回転することができる。
ラジアル磁気軸受を非接触で構成することができるので、回転抵抗が極めて小さい磁気軸受を得ることができる。
図3は、上述した原理を利用したスラスト磁気軸受の構成を示す説明図である。
全体を符号20で示すスラスト磁気軸受は、第1の磁気軸受部材21と第2の磁気軸受部材23を有する。第1の磁気軸受部材21は、円盤状のもので、第2の磁気軸受部材23は対向する側面に円盤状の永久磁石22が取付けてある。第2の磁気軸受部材23も円盤状のもので、第1の磁気軸受部材21に対向する側面に円盤状の永久磁石24が取付けてある。
一対の永久磁石22,24は互いに同一の極性面N,NまたはS,Sを対向させてあり、間隙Gをもたせてある。
上述した構成を備えることにより、第1の磁気軸受部材21と第2の磁気軸受部材23は、非接触で相対回転することができる。
スラスト磁気軸受を非接触で構成することができるので、回転抵抗が極めて小さい磁気軸受を得ることができる。
全体を符号20で示すスラスト磁気軸受は、第1の磁気軸受部材21と第2の磁気軸受部材23を有する。第1の磁気軸受部材21は、円盤状のもので、第2の磁気軸受部材23は対向する側面に円盤状の永久磁石22が取付けてある。第2の磁気軸受部材23も円盤状のもので、第1の磁気軸受部材21に対向する側面に円盤状の永久磁石24が取付けてある。
一対の永久磁石22,24は互いに同一の極性面N,NまたはS,Sを対向させてあり、間隙Gをもたせてある。
上述した構成を備えることにより、第1の磁気軸受部材21と第2の磁気軸受部材23は、非接触で相対回転することができる。
スラスト磁気軸受を非接触で構成することができるので、回転抵抗が極めて小さい磁気軸受を得ることができる。
図4は、本発明の磁気軸受を工作機械の主軸ヘッドに適用した例を示す説明図である。
全体を符号100で示す主軸ヘッドは、ハウジング110内に回転自在に装備される主軸120を有する。主軸120は、ハウジング110に対して一対の永久磁石を利用したラジアル磁気軸受150とスラスト磁気軸受160で非接触に支持される。
主軸120は、ハウジング110内に固定されるステータ130と主軸120に取付けられるロータ132により構成されるモータにより、直接駆動される。
本発明の主軸ヘッドは以上のように構成されるので、主軸は永久磁石を利用した磁気軸受で非接触に支持される。したがって、回転抵抗が極めて小さい主軸ヘッドを得ることができる。
全体を符号100で示す主軸ヘッドは、ハウジング110内に回転自在に装備される主軸120を有する。主軸120は、ハウジング110に対して一対の永久磁石を利用したラジアル磁気軸受150とスラスト磁気軸受160で非接触に支持される。
主軸120は、ハウジング110内に固定されるステータ130と主軸120に取付けられるロータ132により構成されるモータにより、直接駆動される。
本発明の主軸ヘッドは以上のように構成されるので、主軸は永久磁石を利用した磁気軸受で非接触に支持される。したがって、回転抵抗が極めて小さい主軸ヘッドを得ることができる。
図5は、本発明の工作機械等の摺動装置に適用した例を示す説明図である。
全体を符号200で示す摺動装置は、ベース210とベース210上を紙面に垂直な方向に摺動する摺動体220を有する。摺動体220は、ベース210に対して、永久磁石を利用したスラスト磁気軸受250で非接触に支持されている。
そして、摺動体220は、リニアモータ230により非接触で駆動される。
本発明の摺動装置は以上のように、永久磁石を用いたスラスト磁気軸受により非接触で支持されるので、駆動抵抗が極めて小さな駆動装置を得ることができる。
全体を符号200で示す摺動装置は、ベース210とベース210上を紙面に垂直な方向に摺動する摺動体220を有する。摺動体220は、ベース210に対して、永久磁石を利用したスラスト磁気軸受250で非接触に支持されている。
そして、摺動体220は、リニアモータ230により非接触で駆動される。
本発明の摺動装置は以上のように、永久磁石を用いたスラスト磁気軸受により非接触で支持されるので、駆動抵抗が極めて小さな駆動装置を得ることができる。
図6は、本発明の他の実施例に係るスラスト磁気軸受を示す。
全体を符号300で示すスラスト磁気軸受は、中央に配置される回転部材330の両側に第1の磁気軸受部材310と第2の磁気軸受部材320が配列された構造を有する。
回転部材330は、円盤状の部材であって、両側に永久磁石332,334が取付けてある。第1の磁気軸受部材310と第2の磁気軸受部材320もそれぞれ永久磁石312,322が取付けてある。
この構成により、非接触で回転するスラスト磁気軸受を得ることができる。
全体を符号300で示すスラスト磁気軸受は、中央に配置される回転部材330の両側に第1の磁気軸受部材310と第2の磁気軸受部材320が配列された構造を有する。
回転部材330は、円盤状の部材であって、両側に永久磁石332,334が取付けてある。第1の磁気軸受部材310と第2の磁気軸受部材320もそれぞれ永久磁石312,322が取付けてある。
この構成により、非接触で回転するスラスト磁気軸受を得ることができる。
図7は、本発明の他の実施例に係るラジアル磁気軸受を示す。
全体を符号400で示すラジアル磁気軸受は、インナレース410と二分割したアウタレース420,421を有し、締結手段で結合される。インナレース410の外周面は球面に形成されており、永久磁石412が取付けてある。
アウタレース420の内周面も球面に形成されており、永久磁石422が取付けてある。
対向する2つの永久磁石412,422は、同一の磁極面をもつので、互いに反発する。そこで、インナレース410を水平方向からアウタレース420の内周に挿入し、垂直方向に旋回させることにより、容易に組立てることができる。
全体を符号400で示すラジアル磁気軸受は、インナレース410と二分割したアウタレース420,421を有し、締結手段で結合される。インナレース410の外周面は球面に形成されており、永久磁石412が取付けてある。
アウタレース420の内周面も球面に形成されており、永久磁石422が取付けてある。
対向する2つの永久磁石412,422は、同一の磁極面をもつので、互いに反発する。そこで、インナレース410を水平方向からアウタレース420の内周に挿入し、垂直方向に旋回させることにより、容易に組立てることができる。
図8は、本発明の他の実施例に係るラジアル磁気軸受を示す。
全体を符号500で示すラジアル磁気軸受は、インナレース530と、二分割したアウタレース510,520を有する。インナレース530の外周面は頂角θを有する二等辺三角形状に形成され、永久磁石532,534が取付けてある。
アウタレース510,520の内周面もインナレースの外周面に対応する形状に形成され、永久磁石512,522が取付けてある。
インナレース530の永久磁石532,534とアウタレース510,520の永久磁石512,522は互いに反発する磁極面を有する。そこで、二分割したアウタレース510,520をボルト540とナット542で締め付けて、ラジアル磁気軸受500を組立てることができる。
全体を符号500で示すラジアル磁気軸受は、インナレース530と、二分割したアウタレース510,520を有する。インナレース530の外周面は頂角θを有する二等辺三角形状に形成され、永久磁石532,534が取付けてある。
アウタレース510,520の内周面もインナレースの外周面に対応する形状に形成され、永久磁石512,522が取付けてある。
インナレース530の永久磁石532,534とアウタレース510,520の永久磁石512,522は互いに反発する磁極面を有する。そこで、二分割したアウタレース510,520をボルト540とナット542で締め付けて、ラジアル磁気軸受500を組立てることができる。
図9は、本発明の他の実施例に係る摺動磁気軸受を示す。
全体を符号600で示す摺動磁気軸受は、固定部材610と摺動部材620を有する。摺動部材620は、一端部に隆起部630を、他端部に平坦部640を有する。
固定部材610と摺動部材620は、それぞれ、対向する面に永久磁石を有し、各永久磁石は、それぞれ反発する磁極面を備える。
この摺動磁気軸受は、非接触であるので、極めて小さな摺動抵抗で摺動部材を案内することができる。
全体を符号600で示す摺動磁気軸受は、固定部材610と摺動部材620を有する。摺動部材620は、一端部に隆起部630を、他端部に平坦部640を有する。
固定部材610と摺動部材620は、それぞれ、対向する面に永久磁石を有し、各永久磁石は、それぞれ反発する磁極面を備える。
この摺動磁気軸受は、非接触であるので、極めて小さな摺動抵抗で摺動部材を案内することができる。
図10は、本発明の他の実施例に係る磁気軸受を示す。
全体を符号700で示す磁気軸受は、固定部材710と可動部材720を有する。可動部材720は、例えば、丸パイプ構造を有し、パイプ722は、永久磁石として磁化されている。または、永久磁石(図示せず)を取付けてある。
可動部材720が貫通する固定部材710は、貫通穴の内周面には永久磁石712が取付けてある。対向する永久磁石712と722は、互いに反発する磁極面を有する。
そこで、可動部材720は、固定部材710に対して、回転または軸方向に摺動自在に非接触で支持される。
なお、可動部材720側を固定し、固定部材710側を回転または摺動部材とすることも可能である。
全体を符号700で示す磁気軸受は、固定部材710と可動部材720を有する。可動部材720は、例えば、丸パイプ構造を有し、パイプ722は、永久磁石として磁化されている。または、永久磁石(図示せず)を取付けてある。
可動部材720が貫通する固定部材710は、貫通穴の内周面には永久磁石712が取付けてある。対向する永久磁石712と722は、互いに反発する磁極面を有する。
そこで、可動部材720は、固定部材710に対して、回転または軸方向に摺動自在に非接触で支持される。
なお、可動部材720側を固定し、固定部材710側を回転または摺動部材とすることも可能である。
10 ラジアル磁気軸受
11 インナレース
12 永久磁石
13 アウタレース
14 永久磁石
11 インナレース
12 永久磁石
13 アウタレース
14 永久磁石
Claims (8)
- インナレースと、アウタレースを有し、インナレースの外周面とアウタレースの内周面に設けられる永久磁石を備え、対向する永久磁石は同極の磁極面を有し、最小間隙で配設される工作機械用ラジアル磁気軸受。
- インナレースの外周面とアウタレースの内周面は球面に形成される請求項1記載の工作機械用ラジアル磁気軸受。
- インナレースの外周面はニ等辺三角形に形成され、アウタレースはインナレースの外周面に対向する内周面を有してニ分割された部材で形成される請求項1記載の工作機械用ラジアル磁気軸受。
- 円盤状の回転部材と、回転部材の側面に配設される固定部材を有し、回転部材と固定部材の対向する面に設けられる永久磁石を備え、対向する永久磁石は同極の磁極面を有し、最小間隙で配設される工作機械用スラスト磁気軸受。
- 円盤状の回転部材と、回転部材の両側に配設される固定部材を有し、回転部材の両側面と固定部材の回転部材に対向する面に設けられる永久磁石を備え、対向する永久磁石は同極の磁極面を有し、最小間隙で配設される工作機械用スラスト磁気軸受。
- 固定部材と摺動部材を有し、固定部材の摺動部材に対向する面と摺動部材の固定部材に対向する面に設けられる永久磁石を備え、対向する永久磁石は同極の磁極面を有し、最小間隙で配設される工作機械用摺動磁気軸受。
- 工作機械の主軸ヘッドにおいて、回転モータを具備した主軸を加工抵抗に打ち勝って堅固に支持するハウジングと、回転モータを懸架し、刃具を回転自在に装備する主軸を有し、主軸をハウジングに対して支持する軸受は、半径方向及び軸方向に回転自在に、加工抵抗に打ち勝つ力で強固に装着するためのラジアル及びスラスト用磁気軸受であって、対向する永久磁石は同極の磁極面を有し、最小間隙を設けて配置することによる反発力によって主軸とハウジングとの間を一定の間隙を高精度で安定的に維持する工作機械用磁気軸受。
- 工作機械の摺動体において、摺動体を摺動自在に保持する摺動面を有する本体と、本体の摺動面を摺動自在に移動する摺動体を有し、本体と摺動体との間を一定の間隙で安定的に高精度に維持する軸受は、一対の永久磁石で構成された磁気軸受であって、対向する永久磁石は同極の磁極面を有し、最小間隙を設けて対向させて配置することによる反発力によって本体と摺動体との間の間隙を高精度で安定的に維持する工作機械用磁気軸受。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113757258A (zh) * | 2021-08-20 | 2021-12-07 | 浙江大学 | 一种适用于水下设备的磁轴承结构 |
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2004
- 2004-07-05 JP JP2004197499A patent/JP2006017261A/ja active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113757258A (zh) * | 2021-08-20 | 2021-12-07 | 浙江大学 | 一种适用于水下设备的磁轴承结构 |
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