JP3689439B2

JP3689439B2 - 磁気軸受装置

Info

Publication number: JP3689439B2
Application number: JP18753094A
Authority: JP
Inventors: 拓知上山; 学谷口
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 1994-08-09
Filing date: 1994-08-09
Publication date: 2005-08-31
Anticipated expiration: 2020-08-31
Also published as: JPH0854020A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、工作機械の主軸等に用いられる磁気軸受装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、超高速回転する工作機械の主軸には、図３に示す様な構成の磁気軸受装置が用いられていた。同図において軸５０は回転軸であり、軸端５０ａに工具（図示せず）等が取り付けられる。本体５１には、軸端５０ａ側から、玉軸受５２、軸５０の軸方向変位を検出するアキシャル変位センサ５３、軸５０の径方向変位を検出するラジアル変位センサ５４、軸５０を径方向に非接触で支持するラジアル磁気軸受５５、モータ５６、ラジアル磁気軸受５５、ラジアル変位センサ５４、軸５０を軸方向に非接触で支持するアキシャル磁気軸受５７、玉軸受５２が取り付けられている。
【０００３】
通常、ラジアル変位センサとアキシャル変位センサは、軸５０の軸方向に互いに距離を離して配置されていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このため、ラジアル変位センサとアキシャル変位センサのための設置空間が、軸方向に長くなり、これに伴って、軸５０の軸長が長くなっていた。その結果、軸の固有振動数を高くできないので、超高速回転が不可能であった。
一方、軸長の限られた軸５０に対して、磁気軸受の吸引面積を大きくすることができないため、軸受の負荷容量を大きくすることができなかった。このため、主軸の負荷容量を大きくできなかった。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、上述の技術的課題を解決し、軸受の負荷容量をより大きくでき、より高速回転が可能な磁気軸受装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、請求項１に係る磁気軸受装置は、回転軸の半径方向の変位量を検出するラジアル変位センサの出力に基づきラジアル磁気軸受を制御すると共に、回転軸の軸方向の変位量を検出するアキシャル変位センサの出力に基づきアキシャル磁気軸受を制御し、回転軸を磁力により半径方向及び軸方向に非接触で支持する磁気軸受装置において、前記回転軸の端部には、軸線に垂直な第１の面と軸線を中心とする円周面からなる第２の面とにより構成される段付き部が設けられ、前記ラジアル変位センサは、前記第２の面に対向すると共に、前記アキシャル変位センサは、前記第１の面に対向し、前記ラジアル変位センサと前記アキシャル変位センサとは、互いの少なくとも一部分同士が前記回転軸の軸方向に重なり合うように配置され、且つ前記回転軸の軸線を中心とする同一円周を共有する状態で交互に各４個が円周等配に配置されて、センサベースに取り付けられており、前記４個のアキシャル変位センサは、出力に関して同等の温度依存特性を有し、前記４個のアキシャル変位センサのうちの、軸線を挟んで互いに対向する一対のアキシャル変位センサは、変位の検出を回避した状態で取り付けられた温度補償センサを構成していることを特徴とするものである。
【０００７】
また、請求項２に係る磁気軸受装置は、請求項１記載の磁気軸受装置において、前記回転軸は、大径軸と、大径軸の端部から同軸上に延設された小径軸とを含み、これら大径軸と小径軸との間に、前記段付き部が設けられており、前記第１の面は大径軸の端面を含むと共に、前記第２の面は小径軸の外周面を含むことを特徴とするものである。
【０００８】
また、請求項３に係る磁気軸受装置は、請求項２記載の磁気軸受装置において、前記センサベースは、小径軸の周囲を取り囲む環状をなし、前記ラジアル変位センサ、前記アキシャル変位センサおよびセンサベースは、磁気軸受装置本体から着脱自在な一体的なユニットを構成することを特徴とするものである。
また、請求項４に係る磁気軸受装置は、請求項２または３に記載の磁気軸受装置において、前記回転軸が停止するときに回転軸の小径軸を受け止めるタッチダウン軸受を備えることを特徴とする。
【０００９】
【作用】
上記請求項１に係る発明の構成によれば、ラジアル変位センサとアキシャル変位センサは互いの少なくとも一部分同士が前記回転軸の軸方向に重なり合うように配置されていることにより、軸方向に距離を離して配置される場合に比べて、軸方向に場所を取らない。よって、回転軸の所要長さを短くできる。この結果、回転軸の固有振動数を高くでき、高速回転に対応できる。また、生じた軸方向の寸法の余裕を磁気軸受の吸引面積に用いることにより、軸受の負荷容量を増すことができる。また、アキシャル変位センサをラジアル磁気軸受に近づけることができ、回転軸に撓み及び傾きが生じた場合に、その影響によるアキシャル変位センサの検出信号の誤差を小さくできる。
【００１０】
これに加えて、上記の様に軸方向に重なり合ったラジアル変位センサ及びアキシャル変位センサを、同一円周を共有する状態で配置したので、センサの取付けスペースを集約化することができた。この結果、センサの取付けスペースをコンパクトにできる。また、センサ及びセンサの取付け部分を一体的なユニットとして構成することも可能となる。
【００１１】
また、一部のアキシャル変位センサを温度補償センサとして構成していることにより、この温度補償センサも上記集約化されたスペースの中に配置されることにより、センサの取付けスペースのコンパクト化に寄与できる。
上記請求項３に係る発明の構成によれば、ユニットを組み込むことにより、センサの取付作業を簡単にすることができる。
【００１２】
【実施例】
以下実施例を示す添付図面によって詳細に説明する。
図１は本発明の磁気軸受装置の一実施例の概略構成を示す断面図である。図２は図１におけるＡ─Ａ線に沿う断面図である。ただし、図１は図２のＢ─Ｃ─Ｄ線に沿う断面を示している。図１において、１は本体であり、工作機械の主軸となりその内部を挿通する軸２、モータ７等の構成部品を収容し、単独で又は工作機械のハウジング等の部材と一体に形成されて用いられる機枠である。
【００１３】
軸２は回動可能に設けられ、モータ７により回転駆動される。軸２の一方の軸端２ａには、加工工具（図示せず）等が取り付けられる。軸２の周囲には軸端２ａ側より、玉軸受３、センサベース１２、ラジアル磁気軸受６、モータ７、ラジアル磁気軸受６、ラジアル変位センサ８、アキシャル磁気軸受９並びに玉軸受３の各機器が配設され、それぞれ本体１に固定される。センサベース１２には、ラジアル変位センサ４ｂ、４ｃ（図１には４ｂのみ示してある）及びアキシャル変位センサ５ｂ、５ｃ（図１には５ｂのみ示してある）が、軸２の軸線方向に略同位置で取り付けられている。
【００１４】
軸２は、大径軸２ｅの両端部の同軸上にそれぞれ小径軸２ｃ、２ｄを一体に形成した２段軸からなる。大径軸２ｅと一方の小径軸２ｄとの間には、段付き部２ｄｅが設けられている。段付き部２ｄｅは、上記小径軸２ｄの円周面と大径軸２ｅの端面２ｂとにより構成される。また、大径軸２ｅと他方の小径軸２ｃとの境界部分には、円板状のフランジ部２ｆが形成されている。軸２は、アキシャル磁気軸受９及びラジアル磁気軸受６の磁力により非接触で支持される。
【００１５】
図２を参照して、ラジアル変位センサ４ｂ、４ｃ及びアキシャル変位センサ５ｂ、５ｃは、軸２の軸線を中心とする同一円周を共有する状態で、軸２の小径軸２ｄの周囲に交互に等配に配置されている。センサベース１２は、金属等の硬質部材からなる環状の板材であり、その一方の面にラジアル変位センサ４ｂ、４ｃ及びアキシャル変位センサ５ｂ、５ｃが固定されている。センサベース１２、ラジアル変位センサ４ｂ、４ｃ及びアキシャル変位センサ５ｂ、５ｃは、１つのユニットとして構成されている。ラジアル変位センサ４ｂ、４ｃ及びアキシャル変位センサ５ｂ、５ｃが、軸２に対して所定の位置関係となるように、センサベース１２は本体１に固定される。
【００１６】
ラジアル変位センサ４ｂ、４ｃは、インダクタンス型変位センサからなり、その検出部４ａを、上記小径軸２ｄの円周面に向けて、同一円周上に４個が等配に設置されている。軸２を挟んだ一対のラジアル変位センサ４ｂは、軸２の径方向（図２の矢印Ｘ方向）の変位を、非接触で測定する。同様に一対のラジアル変位センサ４ｃは、矢印Ｘ方向と直交する軸２の径方向（図２の矢印Ｙ方向）の変位を測定する。
【００１７】
アキシャル変位センサ５ｂ、５ｃは、渦電流型フェライトコア変位センサからなる。軸２を挟んだ一対のアキシャル変位センサ５ｂは、センサの検出部５ａが軸２の段付き部２ｄｅの端面２ｂに面して設けられ、軸２の軸方向の変位を非接触で測定する。また、他の一対のアキシャル変位センサ５ｃは、その検出面をセンサベース１２に向けて取り付けられ、軸２の変位は検出しない。アキシャル変位センサ５ｃは、温度補償センサとして用いられている。すなわち、変位を検出しない一対のアキシャル変位センサ５ｃは、アキシャル変位センサ５ｂと同様に温度変化の影響を受ける。よって、一対のアキシャル変位センサ５ｂの出力信号から一対のアキシャル変位センサ５ｃの出力信号を減じることにより、一対のアキシャル変位センサ５ｂの出力信号が温度変化に対して補正される。
【００１８】
ラジアル変位センサ８は、ラジアル変位センサ４ｂ、４ｃと同様に４個が本体に取り付けられ、軸２の径方向の変位を検出する。玉軸受３は、軸２が停止するときに軸２を受け止める、いわゆるタッチダウン軸受である。アキシャル磁気軸受９は、一対の電磁石９ａ及び９ｂからなり、軸２に設けられたフランジ部２ｆを所定の間隔を開けて挟み込む様に一対が配置される。
【００１９】
アキシャル変位センサ５ｂ、５ｃ、ラジアル変位センサ４ｂ、４ｃ及びラジアル変位センサ８の出力信号は、制御部（図示せず）で所定の信号処理が行なわれ、軸２の径方向及び軸方向の変位が検出される。このとき、温度変化に対してアキシャル変位センサ５ｂの出力信号を補正する。その結果に基づき、制御部は、軸２の軸方向及び径方向の位置を所定の状態に保つように、ラジアル磁気軸受６及びアキシャル磁気軸受９を制御、駆動する。
【００２０】
上記実施例においては、アキシャル変位センサ５ｂ、５ｃとラジアル変位センサ４ｂ、４ｃが、軸２の軸方向に重なり合うように配置されているので、センサの設置スペースが軸方向に場所を取らない。これにより、軸２の軸方向の寸法を短くできた。この結果、軸２の固有振動数を高くでき、より高速回転が可能となる。また、従来と同じ軸長さであっても、短くなった寸法を磁気軸受の吸引面積の増加の為に用いることで、軸受の負荷容量を増すことができる。
【００２１】
ところで、軸２に撓みや傾きが生ずると、軸２の各部は、軸方向及び径方向に変位する。アキシャル変位センサ５ｂによる検出変位には、上記傾き等による変位が含まれており、この部分が誤差となっている。仮に、アキシャル変位センサ５ｂを、支持点であるラジアル磁気軸受６から遠ざけて配置した場合には、上記傾き等による変位が大きくなるので、上記誤差が大きくなり、測定精度が低下する。
【００２２】
これに対して本実施例では、従来と比較してアキシャル変位センサ５ｂをラジアル磁気軸受６に近づけて配置できたので、軸２の傾き等の影響によるアキシャル変位センサ５ｂの検出誤差を小さくできる。従って、より高精度な軸方向の制御が可能となる。また、アキシャル変位センサ５ｂが検出する変位量がそれだけ少なくなり、よりダイナミックレンジの低いセンサの使用が可能となる。
【００２３】
また、上記の様に軸方向に重なり合ったラジアル変位センサ４ｂ、４ｃ及びアキシャル変位センサ５ｂ、５ｃを、同一円周を共有する状態で配置したので、センサの取付けスペースを集約化することができた。この結果、センサ及びセンサベース１２を、本体１に対して着脱自在な一体的なユニットとして構成することができた。従来は、各センサを個別に本体１内の狭い空間内で作業して、取り付けていたので、取付作業が非常に面倒であった。これに対して本実施例では、予め組み立てた上記ユニットを、本体１内に組み込むことにより、センサの本体１への取付作業を非常に簡単にすることができる。また本体取付け前に、センサをユニットとして予め検査することもできる。
【００２４】
また、アキシャル変位センサ５ｃを温度補償センサとして構成し、この温度補償センサも上記集約化されたスペースの中に配置したので、センサの取付けスペースのコンパクト化により一層寄与できた。またアキシャル変位センサ５ｂ、５ｃ及びラジアル変位センサ４ｂ、４ｃの各センサ間の間隔を等しくしたので、個々のセンサが他のセンサから受ける影響を等しくできる。よってセンサの出力に所定の簡単な補正を施すこと、例えば、一対の同種のセンサの出力信号の差分を取ることにより、上記影響を排除できる。
【００２５】
なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、種々の変更を施すことができる。例えば、上記の実施例では、アキシャル変位センサ５ｂ、５ｃを軸２の工具を装着する側の軸端２ａにだけ設けたが、軸２の両端にそれぞれ設けても良い。また、軸の工具を装着する側でなく、反対側の軸端のみに設けても良いし、軸の中間でも構わない。両端に設ければ、本発明の効果が倍加するものである。また、取付け位置により本発明の効果が損なわれるものでない。
【００２６】
またアキシャル変位センサ５ｂ、アキシャル変位センサ５ｃ、ラジアル変位センサ４ｂ及びラジアル変位センサ４ｃは、それぞれ２個一対のセンサから構成されていたが、この数はより多くとも、また少なくとも構わない。またラジアル変位センサ８は、４つのセンサから構成されていたが、この数はより多くとも、また少なくとも構わない。より多ければ検出精度を向上でき、より少なければ構造が簡単になり、コストの低減が図れる。
【００２７】
また上記の実施例では、アキシャル変位センサ５ｂが並ぶ方向と、アキシャル変位センサ５ｃが並ぶ方向とが直交するように、上記の２対のセンサは配置されたが、それには限らない。上記の並ぶ方向が９０度以外の角度で交差するように配置されてもよい。アキシャル変位センサ５ｂと温度補償センサとしてのアキシャル変位センサ５ｃが接近すれば、温度変化もより近い状態となり、より補償精度が高くできる。
【００２８】
また上記の実施例では、ラジアル変位センサ４ｂ、４ｃ及びアキシャル変位センサ５ｂ、５ｃは、同一円周を共有する状態で配置されたが、同一円周を共有しなくとも構わない。
また上記の実施例では、ラジアル変位センサ４ｂ、４ｃ及びアキシャル変位センサ５ｂ、５ｃは、金属等の硬質部材からなるセンサベース１２に取り付けられ、センサ及びセンサベース１２を一体的なユニットとして本体１に固定された。この他に、ラジアル変位センサ４ｂ、４ｃ及びアキシャル変位センサ５ｂ、５ｃが所定の位置関係に配置された状態で樹脂により一体にモールドされていてもよい。この場合には、一体モールドされた樹脂がセンサベース１２に相当する。この様にすれば、ユニットとして扱いやすくなる。また、振動等による、取り付けたセンサの脱落及び取り付け位置のずれが生じず、磁気軸受装置の信頼性が向上する。
【００２９】
また上記の実施例では、センサベース１２は環状の板材としたが、扇形の複数の部材に分割されて、それらを本体１に固定するようにしてもよい。この場合には、センサとセンサベース１２からなるユニットの本体１への取り付け、取り外しが容易になり、磁気軸受装置としての整備性が向上する。
また上記の実施例では、ラジアル変位センサ４ｂ、４ｃ及び８はインダクタンス型変位センサを、アキシャル変位センサ５ｂ、５ｃは渦電流型フェライトコア変位センサを用いたが、安価で安定して磁気軸受装置に用いられるからであり、他の方式でも構わない。
【００３０】
また上記の実施例では、アキシャル変位センサ５ｂ、５ｃは同じセンサを用いたが、同様の温度に対する出力特性を持つものであればアキシャル変位センサ５ｂと５ｃは他の種類でも構わない。
その他、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【００３１】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、ラジアル変位センサとアキシャル変位センサは、従来に比べて、軸方向に場所を取らない。よって、回転軸の所要長さを短くできる。この結果、軸の固有振動数を高くでき、高速回転が可能になる。また、生じた軸方向の寸法の余裕を磁気軸受の吸引面積に用いることで、軸受の負荷容量を増すことができる。また、回転軸の撓み及び傾きの影響によるアキシャル変位センサの検出信号の誤差を小さくでき、高精度な軸方向の制御ができる。
【００３２】
これに加えて、ラジアル変位センサ及びアキシャル変位センサの取付けスペースを集約化できた。また、センサ及びセンサの取付け部分を一体的なユニットとして構成することも可能となる。また、温度補償センサも上記集約化されたスペースの中に配置でき、センサの取付けスペースのコンパクト化に寄与できる。
請求項３に係る発明によれば、ユニットを組み込むことにより、センサの取付作業を簡単にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る磁気軸受装置の概要を示す断面側面図である。
【図２】図１の断面Ａにおける矢視断面図である。
【図３】従来の磁気軸受装置の概要を示す断面側面図である。
【符号の説明】
１本体
２軸（回転軸）
４ｂ、４ｃラジアル変位センサ
５ｂアキシャル変位センサ
５ｃ温度補償センサとして設けたアキシャル変位センサ
６ラジアル磁気軸受
９アキシャル磁気軸受
１２センサベース

Claims

回転軸の半径方向の変位量を検出するラジアル変位センサの出力に基づきラジアル磁気軸受を制御すると共に、回転軸の軸方向の変位量を検出するアキシャル変位センサの出力に基づきアキシャル磁気軸受を制御し、回転軸を磁力により半径方向及び軸方向に非接触で支持する磁気軸受装置において、
前記回転軸の端部には、軸線に垂直な第１の面と軸線を中心とする円周面からなる第２の面とにより構成される段付き部が設けられ、
前記ラジアル変位センサは、前記第２の面に対向すると共に、前記アキシャル変位センサは、前記第１の面に対向し、
前記ラジアル変位センサと前記アキシャル変位センサとは、互いの少なくとも一部分同士が前記回転軸の軸方向に重なり合うように配置され、且つ前記回転軸の軸線を中心とする同一円周を共有する状態で交互に各４個が円周等配に配置されて、センサベースに取り付けられており、
前記４個のアキシャル変位センサは、出力に関して同等の温度依存特性を有し、前記４個のアキシャル変位センサのうちの、軸線を挟んで互いに対向する一対のアキシャル変位センサは、変位の検出を回避した状態で取り付けられた温度補償センサを構成していることを特徴とする磁気軸受装置。
請求項１記載の磁気軸受装置において、
前記回転軸は、大径軸と、大径軸の端部から同軸上に延設された小径軸とを含み、これら大径軸と小径軸との間に、前記段付き部が設けられており、
前記第１の面は大径軸の端面を含むと共に、前記第２の面は小径軸の外周面を含むことを特徴とする磁気軸受装置。
請求項２記載の磁気軸受装置において、
前記センサベースは、小径軸の周囲を取り囲む環状をなし、
前記ラジアル変位センサ、前記アキシャル変位センサおよびセンサベースは、磁気軸受装置本体から着脱自在な一体的なユニットを構成することを特徴とする磁気軸受装置。
請求項２または３に記載の磁気軸受装置において、
前記回転軸が停止するときに回転軸の小径軸を受け止めるタッチダウン軸受を備えることを特徴とする磁気軸受装置。