JP3733160B2 - 磁気軸受装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、主軸を径方向及び軸方向に非接触支持する磁気軸受装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記の磁気軸受装置は、例えば工作機械の主軸を支持するものとして用いられている。
一般に、上記の磁気軸受装置では、主軸と一体回転するロータディスクを挟んだ状態で主軸の軸方向に対向する、一対のアキシャル磁気軸受によって、ロータディスクの軸方向位置を制御し、これにより、主軸を、軸方向の一定位置に維持するようにしている。一方、両アキシャル磁気軸受を主軸の軸方向に挟んだ状態で対向する一対のラジアル磁気軸受によって、主軸を、径方向の一定位置に維持するようにしている。
【０００３】
また、上記の磁気軸受装置では、主軸が停止する際にこれを受け止めるためのタッチダウン軸受が、主軸の両端にそれぞれ配置されている。通常に主軸が停止する場合には、主軸の回転速度を除々に落とし、かなり低速になってから主軸が上記タッチダウン軸受に接触するようにされている。
一方、断線等で瞬時に磁気軸受が作動しなくなった場合には、主軸が高速回転（例えば８万ｒｐｍ）を続けた状態でタッチダウン軸受に接触し、それから主軸の回転が停止するまで、タッチダウン軸受によって主軸を支えることになる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような非常停止時において、何かの原因で主軸に過度の力が加わるような場合や、曲げによって主軸の中央部が撓むような場合には、上記のタッチダウン軸受に負荷される荷重が過大になるため、主軸が停止するまでにタッチダウン軸受が破損し、その結果、主軸や各磁気軸受が破損することがあった。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、主軸の非常停止時においてタッチダウン軸受の損傷を防止することができる磁気軸受装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、ハウジング内に嵌挿された主軸と、この主軸の軸方向の略中央部に固定されたロータディスクと、ハウジングに配置され、上記ロータディスクを挟んだ一対の電磁石を含み、主軸を軸方向に非接触支持するアキシャル磁気軸受と、このアキシャル磁気軸受の軸方向の両側においてハウジングに配置され、主軸を径方向に非接触支持する一対のラジアル磁気軸受と、主軸の軸方向の両端部に対向する、ハウジングの部分に配置された一対の第１タッチダウン軸受と、主軸の軸方向の略中央部に対向する、ハウジングの部分に配置された第２タッチダウン軸受とを有しており、この第２タッチダウン軸受と主軸との間の径方向隙間は、第１タッチダウン軸受と主軸との間の径方向隙間よりも大きく、且つラジアル磁気軸受と主軸との間の径方向隙間よりも小さく設定されており、上記第２タッチダウン軸受が、上記アキシャル磁気軸受の少なくとも一方の電磁石の、主軸の周面に対向する部分に配設されたすべり軸受であることを特徴とするものである。
【０００８】
【作用】
請求項１に係る発明の構成によれば、非常停止時において、仮に主軸に過度な力が加わったり或いは主軸の中央部が撓んだりしたとしても、主軸の略中央部にある第２タッチダウン軸受が、第１タッチダウン軸受と共に主軸を受けることになる。したがって、第１タッチダウン軸受の負荷を軽減することができる結果、第１タッチダウン軸受の破損を防止することができる。
【０００９】
仮に、第１タッチダウン軸受が破損したとしても、主軸が停止するまで、第２タッチダウン軸受によって主軸を支えておくことができる。このとき、第２タッチダウン軸受の主軸に対する径方向隙間が、ラジアル磁気軸受の主軸に対する径方向隙間よりも狭いので、主軸がラジアル磁気軸受と接触することがない。
また、第２タッチダウン軸受がすべり軸受で構成されているので、転がり軸受を用いた場合に比べて、径方向の配置スペースが小さくて済み、交換が容易であり、転動体や保持機の破損による信頼性の低下もない。
【００１０】
特に、第２のタッチダウン軸受としてのすべり軸受をアキシャル磁気軸受の電磁石の、主軸周面との対向部に設けたので、主軸の軸方向長さを長くする必要がなく、したがって、主軸の危険回転速度の低下に起因した最高回転数の低下を防止することができる。
【００１１】
【実施例】
以下実施例を添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施例に係る磁気軸受装置の概略断面図である。同図を参照して、本磁気軸受装置は、▲１▼筒状の本体１と、▲２▼この本体１を貫通した主軸２と、▲３▼この主軸２の軸方向略中央部の近傍に配置された、主軸２を回転駆動するためのモータ３と、▲４▼このモータ３に隣接して配置され、主軸２に固定されたロータディスク４を介して主軸２の軸方向位置を制御するアキシャル磁気軸受５と、▲５▼上記モータ３およびアキシャル磁気軸受５を挟んだ両側に一対が配置され、それぞれ主軸２の径方向位置を制御するラジアル磁気軸受６，７と、▲６▼主軸２の軸方向の両端部に配置された、総玉軸受からなるタッチダウン軸受８，９（第１タッチダウン軸受）とを主に備えている。
【００１２】
上記モータ３、アキシャル磁気軸受５、ラジアル磁気軸受６，７及びタッチダウン軸受８，９は、本体１に固定されている。１３，１４は、各ラジアル磁気軸受６，７にそれぞれ対応して設けられ、主軸２の径方向変位を検出するラジアル変位センサであり、各ラジアル変位センサ１３，１４の検出結果に応じて、各ラジアル磁気軸受６，７の吸引力が調整されるようになっている。なお、主軸２の軸方向変位を検出するアキシャル変位センサについては、図示を省略してある。
【００１３】
アキシャル磁気軸受５は、ロータディスク４を挟んで軸方向の両側に配置された一対の電磁石１０，１１を備えている。各電磁石１０，１１は、ロータディスク４の各端面とそれぞれ所定の間隔を隔てて対向している。また、各電磁石１０，１１の内径側には、主軸２の周面との間に所定の間隔を隔てて取り囲む環状のすべり軸受１２（第２タッチダウン軸受）が、取付リング１５を介してそれぞれ着脱自在に取り付けられている。
【００１４】
具体的には、図１及び図１のII-II 線に沿う断面図である図２に示すように、環状に配置されている電磁石１０（１１）の内径部に、環状の取付リング１５を嵌め、この取付リング１５の内周面に、二流化モリブデンその他の潤滑グリスを塗布した状態で、上記すべり軸受１２を導入し、嵌め合わせてある。このようにしておけば、容易にすべり軸受１２を着脱することができる。なお、すべり軸受１２は、タッチダウン時においてもアキシャル方向の力を殆ど受けないので、上記のように潤滑グリスを用いていても、タッチダウン時にすべり軸受１２が、アキシャル方向に脱落してしまうようなおそれはない。
【００１５】
すべり軸受１２に用いられる材料としては、黄銅、砲金その他の銅を含む合金を用いることが、主軸２を円滑にすべり案内するうえで好ましい。また、多孔質材料に含油させた材料を用いても良い。
本実施例の特徴とするところは、すべり軸受１２と主軸２との間の径方向隙間Ｃが、タッチダウン軸受９，１０と主軸２との間の径方向隙間Ａよりも大きく、且つラジアル磁気軸受６，７と主軸２との間の径方向隙間Ｂよりも小さいことである。すなわち、Ａ＜Ｃ＜Ｂなる大小関係が満たされている。なお、径方向隙間とは、直径の差を２等分したものとした。
【００１６】
上記のような径方向隙間の関係を設定した本実施例によれば、非常停止時において、主軸２が撓み等を生じないとすれば、最も径方向隙間の狭いタッチダウン軸受８，９が主軸２と接触することになる。また、仮に主軸２の中央部が撓む場合、ロータディスク４の近傍が最も撓むと考えられるが、このロータディスク４の近傍に配置した一対のすべり軸受１２が、上記タッチダウン軸受８，９と共に、主軸２を受けることになる。その結果、タッチダウン軸受８，９の負荷を軽減することができるので、タッチダウン軸受８，９の破損を防止することができる。
【００１７】
さらに、仮に、タッチダウン軸受８，９が破損したとしても、主軸２は、すべり軸受１２によって受けられ、且つすべり軸受１２に関する径方向隙間Ｃがラジアル軸受６，７に関する径方向隙間Ｂよりも狭い（Ｃ＜Ｂ）ため、主軸２がラジアル磁気軸受６，７と接触することがない。しかも、アキシャル磁気軸受５の電磁石１０，１１の内径部にすべり軸受１２を配置しているので、主軸２がアキシャル磁気軸受５と接触することもない。その結果、主軸２や各磁気軸受５，６，７の破損を防止することができる。
【００１８】
また、すべり軸受１２を、アキシャル磁気軸受やラジアル磁気軸受と同様に軸方向に並べて配設すると、ラジアル磁気軸受６，７間の距離が離れて主軸２の長さを長くしなければならず、このため、主軸２の危険回転速度が低下して、最高回転速度が低く制限されてしまうが、本実施例のようにアキシャル磁気軸受５とすべり軸受１２を一体化すれば、主軸２の軸長は従来と同じであり、主軸２の最高回転速度を高く保つことができる。
【００１９】
なお、本実施例ではタッチダウン軸受８，９の負荷を軽減することができるので、上記タッチダウン軸受８，９として、総玉軸受に代えて、カーボン系素材からなるリングを用いることも可能となる。
また、本実施例では、危険回転速度の低下を嫌って第２タッチダウン軸受であるすべり軸受１２をアキシャル磁気軸受５に取り付けたが、この点が問題にならない場合には、主軸２の軸方向略中央部に対応する位置であれば、磁気軸受装置の他の部分に設けても良い。
【００２０】
また、第２タッチダウン軸受として、すべり軸受の他に第１タッチダウン軸受と同様の総玉軸受などの転がり軸受を用いても良い。。また、第２タッチダウン軸受としては、静圧空気軸受や動圧軸受などの種々の軸受を用いることもできる。
その他、本発明の範囲で種々の設計変更を施すことができる。
【００２１】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、非常停止時において、仮に主軸の中央部が撓んだりしたとしても、第１タッチダウン軸受及び第２タッチダウン軸受の双方で、主軸を受けることができるので、第１タッチダウン軸受の負荷を軽減することができる結果、第１タッチダウン軸受の破損を防止することができる。
【００２２】
また、仮に、第１タッチダウン軸受が破損したとしても、主軸が停止するまで、第２タッチダウン軸受によって主軸を支えておくことができる結果、主軸や各磁気軸受を破損させることがない。
さらに、第２タッチダウン軸受をすべり軸受で構成したので、転がり軸受を用いた場合に比べて、径方向の配置スペースが小さくて済み、且つ、第２タッチダウン軸受を増設したことにより磁気軸受装置が大型化することがない。すべり軸受であれば、軸受の交換が容易でメンテナンス性に優れ、また、転動体や保持器が破損することにより信頼性が低下することがない。
【００２３】
特に、第２タッチダウン軸受としてのすべり軸受をアキシャル磁気軸受の電磁石の、主軸周面との対向部に設けたので、主軸の軸方向長さを長くする必要がなく、したがって、主軸の危険回転速度の低下に起因した最高回転数の低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例としての磁気軸受装置の概略断面図である。
【図２】図１のII-II 線に沿う断面図である。
【符号の説明】
１ ハウジング
２ 主軸
４ ロータディスク
５ アキシャル磁気軸受
６，７ ラジアル磁気軸受
８，９ タッチダウン軸受
１０，１１ 電磁石
１２ すべり軸受
１５ 取付リング
Ａ，Ｂ，Ｃ 径方向隙間

Claims (1)

1. ハウジング内に嵌挿された主軸と、
   この主軸の軸方向の略中央部に固定されたロータディスクと、
   ハウジングに配置され、上記ロータディスクを挟んだ一対の電磁石を含み、主軸を軸方向に非接触支持するアキシャル磁気軸受と、
   このアキシャル磁気軸受の軸方向の両側においてハウジングに配置され、主軸を径方向に非接触支持する一対のラジアル磁気軸受と、
   主軸の軸方向の両端部に対向する、ハウジングの部分に配置された一対の第１タッチダウン軸受と、
   主軸の軸方向の略中央部に対向する、ハウジングの部分に配置された第２タッチダウン軸受とを有しており、
   この第２タッチダウン軸受と主軸との間の径方向隙間は、第１タッチダウン軸受と主軸との間の径方向隙間よりも大きく、且つラジアル磁気軸受と主軸との間の径方向隙間よりも小さく設定されており、
   上記第２タッチダウン軸受が、上記アキシャル磁気軸受の少なくとも一方の電磁石の、主軸の周面に対向する部分に配設されたすべり軸受であることを特徴とする磁気軸受装置。

Images