JP2006205357A - 電磁鋼板積層部品、その製造方法および磁気軸受装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 方向性の小さい電磁鋼板積層部品を提供する。
【解決手段】 電磁鋼板積層部品13,14は、複数の圧延電磁鋼板製円環状板部材17が積層されたものであり、圧延方向が所定角度ずつ異なる複数種類の板部材17が積層されている。
【選択図】 図２

Description

この発明は、電磁鋼板積層部品およびその製造方法、ならびに電磁鋼板積層部品を用い回転体を制御型ラジアル磁気軸受により径方向に非接触支持する磁気軸受装置に関する。
磁気軸受装置として、回転体が１組の制御型アキシアル磁気軸受と２組の制御型ラジアル磁気軸受により非接触支持されて内蔵電動モータにより高速回転させられるいわゆる５軸制御型磁気軸受装置が知られている。
通常、各ラジアル磁気軸受は、周方向に等間隔をおいて回転体の周囲に配置された４個の電磁石を備えており、これらの電磁石に対向する回転体の外周部にはロータコアが設けられている。また、磁気軸受装置は、回転体の径方向の変位を検出するための２組のラジアル変位センサを備えている。変位センサは４個で１組をなし、各変位センサがラジアル磁気軸受の電磁石の近傍に配置されている。そして、各組の変位センサに対向する回転体の外周部にもロータコアが設けられている。
このような電磁石あるいは変位センサに対向するロータコアは電磁鋼板である珪素鋼板製の板部材が軸方向に積層された構造となっており、従来は、円環状の珪素鋼板製板部材を回転体の外周部に１枚ずつ組み込んで固定することにより形成されていたが、回転体の組立工数削減のため、予めスリーブの外周部に珪素鋼板製板部材を積層して円筒状のロータコアを形成し、このスリーブを回転体の外周部に圧入することが提案されている（たとえば特許文献１参照）。
特開平１１−１２５２４９号公報
上記のような電磁鋼板積層部品であるロータコアの量産化および高精度化を図るため、順送型により圧延珪素鋼板帯板から板部材を打ち抜きながら積層・固定してロータコアを製造することが考えられる。
ところが、順送型を用いて無方向性圧延珪素鋼板帯板から製造したロータコア（順送コア）を回転体に組み込み、磁気軸受により非接触支持して回転させたところ、図４(b)に示すように、ラジアル変位センサにより検出される回転体軸心の回転軌跡オービット（振れ回り）が長い楕円形になり、制御が不安定にあるという問題が生じた。これは、ロータコアに方向性があることによるものと考えられる。
この発明の目的は、上記の問題を解決し、方向性の小さい電磁鋼板積層部品およびその製造方法を提供することにある。
この発明の目的は、また、ロータコアの方向性が小さく、したがって、制御の安定性の高い磁気軸受装置を提供することにある。
請求項１の電磁鋼板積層部品は、複数の圧延電磁鋼板製円環状板部材が積層された電磁鋼板積層部品であって、圧延方向が所定角度ずつ異なる複数種類の板部材が積層されていることを特徴とするものである。
前記の従来の順送コアでは、板部材の圧延方向が全て同じであるため、無方向性珪素鋼板を使用しているにもかかわらず、各珪素鋼板のわずかな方向性が変位センサ信号に影響を及ぼしているものと考えられる。
本発明者は、上記のように考え、この発明をなした。
請求項１の電磁鋼板積層部品によれば、圧延方向が所定角度ずつ異なる複数種類の板部材が積層されているから、方向性が小さくなる。
好ましくは、各種類の板部材の数は、互いに等しいか、あるいは近い値である。また、複数種類の板部材が同数ずつ、好ましくは１枚ずつ順に積層される。
電磁鋼板として、好ましくは、無方向性電磁鋼板が用いられる。
請求項２の電磁鋼板積層部品は、請求項１のものにおいて、圧延方向がθ度ずつ異なるｎ種類の板部材が順に積層されていることを特徴とするものである。ただし、ｎは２以上の整数で、θ＝１８０／ｎである。
この場合も、ｎ種類の板部材が互いに同数であるか、あるいは近い数であることが望ましい。また、ｎ種類の板部材が同数ずつ、好ましくは１枚ずつ順に積層される。
請求項３の電磁鋼板積層部品は、請求項２のものにおいて、板部材の中心を中心とする１つの円周上に、一方の面側が凹んで他方の面側が突出した２ｎ個の嵌合部がθ度の間隔をおいて形成され、隣接する板部材の嵌合部同士がはめ合わされた状態で板部材が積層されていることを特徴とするものである。
請求項３の電磁鋼板積層部品によれば、隣接する板部材の嵌合部同士がはめ合わされることにより、積層部品を一体化することができる。しかも、同一の構成の板部材をθ度ずつ角度を変えることにより、嵌合部同士をはめ合わせることができる。
請求項４の方法は、請求項２の電磁鋼板積層部品を製造する方法であって、圧延電磁鋼板帯板から板部材を１枚ずつ打ち抜く工程と、打ち抜いた板部材をそのまま回転台上または回転台上にすでに積層した板部材上に積層する工程とを含み、板部材を所定枚数積層する度に回転台をθの倍数（３６０の倍数を除く）に等しい角度回転させることを特徴とするものである。
請求項４の方法によれば、請求項２の電磁鋼板積層部品を簡単に製造することができる。
請求項５の方法は、請求項３の電磁鋼板部品を製造する方法であって、圧延電磁鋼板帯板に２ｎ個の嵌合部を形成する工程と、帯板から嵌合部を有する板部材を１枚ずつ打ち抜く工程と、打ち抜いた板部材をそのまま回転台上または回転台上にすでに積層した板部材上に積層して嵌合部同士をはめ合わせる工程とを含み、板部材を所定枚数積層する度に回転台をθの倍数（３６０の倍数を除く）に等しい角度回転させることを特徴とするものである。
請求項５の方法によれば、請求項３の電磁鋼板積層部品を簡単に製造することができる。
請求項６の磁気軸受装置は、ラジアル変位センサを用いて検出した回転体の径方向の変位に基づいて制御型ラジアル磁気軸受の電磁石を制御することにより、回転体を径方向に非接触支持する磁気軸受装置であって、ラジアル磁気軸受の電磁石およびラジアル変位センサに対向する回転体の外周部にロータコアが設けられているものにおいて、ラジアル変位センサに対向するロータコアが、請求項１〜３のいずれか１項の電磁鋼板積層部品あることを特徴とするものである。
請求項６の磁気軸受装置によれば、ロータコアの方向性が小さくなって、回転体軸心の回転軌跡オービットが真円に近い形になり、したがって、制御が不安定になるおそれが小さくなる。
この発明の電磁鋼板積層部品によれば、上記のように、方向性を小さくすることができる。
この発明の電磁鋼板積層部品の製造方法によれば、上記のように、方向性の小さい電磁鋼板積層部品を簡単に製造することができる。
この発明の磁気軸受装置によれば、上記のように、ロータコアの方向性を小さくして、回転体軸心の回転軌跡オービットを真円に近い形にすることができ、したがって、制御の安定性を高めることができる。
以下、図面を参照して、この発明を５軸制御型磁気軸受装置に適用した実施形態について説明する。
図１は、磁気軸受装置の主要部を示している。
この磁気軸受は、図示しない水平な筒状のハウジングの内側で水平な回転体(1)が回転する横型のものであり、回転体(1)の周囲のハウジングの部分に、回転体(1)を軸方向に非接触支持する制御型アキシアル磁気軸受(2)、回転体(1)を径方向に非接触支持する２組の制御型ラジアル磁気軸受(3)(4)、回転体(1)の軸方向の変位を検出するためのアキシアル変位センサ(5)、回転体(1)の径方向の変位を検出するための２組のラジアル変位センサ(6)(7)、回転体(1)を回転させる電動モータのステータ(8)、回転体(1)の回転数を検出するための回転センサ（図示略）、タッチダウン用の保護軸受（図示略）などが配置されている。
各ラジアル磁気軸受(3)(4)は、それぞれ、４個の電磁石(9)(10)を備えている。各ラジアル変位センサ(6)(7)は、それぞれ、４個で１組をなす。各組のラジアル磁気軸受(3)(4)の電磁石(9)(10)および各組のラジアル変位センサ(6)(7)に対向する回転体(1)の外周部に、それぞれ、ロータコア(11)(12)(13)(14)が設けられている。
磁気軸受装置の構成自体は公知であるから、これ以上の詳細な説明は省略する。
各ロータコア(11)〜(14)は、円環状の珪素鋼板製板部材(15)(17)が軸方向に複数枚積層されて一体化されたものであり、あらかじめ一体化された円筒状のロータコア(11)〜(14)が回転体(1)の外周部に組み込まれて固定されている。
図２は、変位センサ(6)(7)に対向するロータコア(13)(14)およびそれを構成する板部材(17)の１例を示しており、同図(c)はロータコア(13)(14)の斜視図、同図(b)はロータコア(13)(14)の一部分解斜視図、同図(a)は１枚の板部材(17)の斜視図である。なお、ロータコア(13)(14)の説明において、図２の上下を上下とする。
板部材(17)は、後に詳しく説明するように、珪素鋼板帯板から打ち抜きにより形成されたものである。図２および後述する図３において、珪素鋼板帯板の圧延方向を帯板あるいは板部材(17)の表面に多数の平行な直線で示している。
図２の例では、同図(b)に示されているように、圧延方向が９０度ずつ異なる２種類の板部材(17)が１枚ずつ順に積層されている。各板部材(17)には、その中心を中心とする１つの円周上に、上側が凹んで下側が突出した４個の嵌合部(18)が９０度の間隔をおいて形成されており、上下に隣接する板部材(17)の嵌合部(18)同士がはめ合わされることにより、板部材(17)が一体化されて円筒状のロータコア(13)(14)が構成されている。
板部材(17)に上記のような４個の嵌合部(18)が形成されていることにより、圧延方向が９０度ずつ異なる２種類の板部材(17)の構成自体は同じにすることができる。すなわち、２種類の板部材(17)に同じものを使用することができ、部品点数が増加することがない。
次に、図３を参照して、上記のロータコア(13)(14)の製造工程および製造方法の１例について説明する。
図３に示すように、ロータコア製造装置は、圧延珪素鋼板帯板(19)の搬送経路上に打ち抜き用ダイ(20)を備えており、帯板(19)がダイ(20)上を同図の左から右に間欠的に搬送され、その間に板部材(17)が１枚ずつ打ち抜かれて積層される。
ダイ(20)上に、帯板(19)の搬送方向に３つのステージ(21)(22)(23)が順に設けられている。搬送方向上流側の第１ステージ(21)では、板部材(17)の内径に対応する打ち抜き用円形穴(24)がダイ(20)に形成され、その上方に、上下に移動する打ち抜き用パンチ（第１パンチ）(25)が設けられている。中間の第２ステージ(22)では、ダイ(20)の上方に、上下に移動する嵌合部形成用パンチ（第２パンチ）(26)が設けられている。このパンチ(26)の下面には、４個の突起(26a)が設けられている。搬送方向下流側の第３ステージ(23)では、板部材(17)の外形に対応する打ち抜き用円形穴(27)がダイ(20)に形成され、穴(27)の上方に、上下に移動する打ち抜き用パンチ（第３パンチ）(28)が設けられ、穴(27)の下方に、積層用回転台(29)が設けられている。回転台(29)は鉛直な軸(30)の上端に水平に固定され、上下動および９０度ずつの間欠的な回転ができるようになっている。回転台(20)の上面には、板部材(17)の厚さ程度の高さを有する低い円形突部(29a)が設けられている。
帯板(19)は、ステージ(21)〜(23)の間隔分ずつ間欠的に搬送される。そして、帯板(19)が停止している間に、第１ステージ(21)において、第１パンチ(25)が帯板(19)の上方から穴(24)内まで下降して元の位置まで上昇することにより、帯板(19)から板部材(17)の内側部分が打ち抜かれて下方に除去され、帯板(19)に円形穴(31)が形成され、第２ステージ(22)において、第２パンチ(26)が帯板(19)の上面に圧接して元の位置に上昇することにより、帯板(19)の穴(31)の周囲に４個の嵌合部(18)が形成され、第３ステージ(23)において、第３パンチ(28)が穴(27)を通ってダイ(20)より少し下方まで下降して元の位置まで上昇することにより、帯板(19)から板部材(17)が打ち抜かれて積層される。第３ステージ(23)において、１枚目の板部材(17)は、突部(29a)の外側にはめられて回転台(29)上に積層され、２枚目以降の板部材(17)は、回転台(29)上に積層された板部材(17)の上に積層される。また、板部材(17)が１枚打ち抜かれる度に、回転台(29)が板部材(17)の厚さ分ずつ下降するとともに、一方向に９０度ずつ回転する。これにより、板部材(17)の圧延方向が１枚おきに９０度異なることになり、回転台(29)上に積層された板部材(17)の上面のダイ(20)に対する上下位置が一定になる。また、嵌合部(18)の間隔が９０度であるから、回転台(29)が９０度回転しても、常に上下の板部材(17)の嵌合部(18)の位置は一致しており、板部材(17)がパンチ(18)で下方に押されることにより、上下に隣接する板部材(17)の嵌合部(18)同士が嵌合して、板部材(17)が一体化される。帯板(19)が停止する度に上記の動作が繰り返されることにより、図２(c)に示されるようなロータコア(13)(14)が形成される。
このようにして形成されたロータコア(13)(14)を使用した磁気軸受装置において、図４(a)に示すように、回転体(1)の軸心の回転軌跡オービットが真円に近い形になった。
ラジアル変位センサ(5)(6)に対向するロータコア(13)(14)の構成は、上記のものに限らない。
ロータコア(13)(14)は、圧延方向が所定角度ずつ異なる複数種類の板部材(17)が積層されているものであればよく、その構成は任意である。
好ましくは、圧延方向がθ度ずつ異なるｎ種類の板部材(17)が１枚ずつ順に積層されたものである。ただし、ｎは２以上の整数で、θ＝１８０／ｎである。そして、板部材(17)には、２ｎ個の嵌合部(18)がθ度の間隔をおいて形成される。
このようにすれば、図３の製造装置において、板部材(17)を１枚打ち抜く度に回転台(29)をθ度ずつ回転させることにより、ロータコア(13)(14)を簡単に製造することができる。
ラジアル磁気軸受(3)(4)の電磁石(9)(10)に対向するロータコア(11)(12)の板部材(15)には、上記の板部材(17)と同じものを使用することができる。しかし、これらのロータコア(11)(12)の場合は、板部材(15)の圧延方向が全て同じであってもよい。図３の製造装置において、回転台(29)を回転しないようにすれば、全ての板部材(15)の圧延方向が一致しているロータコア(11)(12)を製造することができる。
しかしながら、電磁石(9)(10)に対向するロータコア(11)(12)に、変位センサ(6)(7)に対向するロータコア(13)(14)と同じ構成のものを使用することもできる。
磁気軸受装置の全体構成および各部の構成は、上記実施形態のものに限らず、適宜変更可能である。
また、この発明による電磁鋼板積層部品は、磁気軸受装置のロータコア以外の用途にも使用することができる。
図１は、この発明が適用される磁気軸受装置の概略構成図である。 図２は、ロータコアおよびそれを構成する珪素鋼板製板部材の斜視図である。 図３は、ロータコアの製造工程を示す説明図である。 図４は、ラジアル変位センサにより検出される回転体軸心の回転軌跡オービットを示す図である。
符号の説明
(1) 回転体
(3)(4) ラジアル磁気軸受
(5)(6) ラジアル変位センサ
(9)(10) 電磁石
(13)(14) ロータコア
(17) 板部材
(18) 嵌合部
(29) 回転台

Claims (6)

  1. 複数の圧延電磁鋼板製円環状板部材が積層された電磁鋼板積層部品であって、
    圧延方向が所定角度ずつ異なる複数種類の板部材が積層されていることを特徴とする電磁鋼板積層部品。
  2. 圧延方向がθ度ずつ異なるｎ種類の板部材が順に積層されていることを特徴とする請求項１の電磁鋼板積層部品。
    ただし、ｎは２以上の整数で、θ＝１８０／ｎである。
  3. 板部材の中心を中心とする１つの円周上に、一方の面側が凹んで他方の面側が突出した２ｎ個の嵌合部がθ度の間隔をおいて形成され、隣接する板部材の嵌合部同士がはめ合わされた状態で板部材が積層されていることを特徴とする請求項２の電磁鋼板積層部品。
  4. 請求項２の電磁鋼板積層部品を製造する方法であって、
    圧延電磁鋼板帯板から板部材を１枚ずつ打ち抜く工程と、
    打ち抜いた板部材をそのまま回転台上または回転台上にすでに積層した板部材上に積層する工程とを含み、
    板部材を所定枚数積層する度に回転台をθの倍数（３６０の倍数を除く）に等しい角度回転させることを特徴とする電磁鋼板積層部品の製造方法。
  5. 請求項３の電磁鋼板積層部品を製造する方法であって、
    圧延電磁鋼板帯板に２ｎ個の嵌合部を形成する工程と、
    帯板から嵌合部を有する板部材を１枚ずつ打ち抜く工程と、
    打ち抜いた板部材をそのまま回転台上または回転台上にすでに積層した板部材上に積層して嵌合部同士をはめ合わせる工程とを含み、
    板部材を所定枚数積層する度に回転台をθの倍数（３６０の倍数を除く）に等しい角度回転させることを特徴とする電磁鋼板積層部品の製造方法。
  6. ラジアル変位センサを用いて検出した回転体の径方向の変位に基づいて制御型ラジアル磁気軸受の電磁石を制御することにより、回転体を径方向に非接触支持する磁気軸受装置であって、ラジアル磁気軸受の電磁石およびラジアル変位センサに対向する回転体の外周部にロータコアが固定されているものにおいて、
    ラジアル変位センサに対向するロータコアが、請求項１〜３のいずれか１項の電磁鋼板積層部品であることを特徴とする磁気軸受装置。
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