JP4994047B2 - Magnetic bearing device - Google Patents
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本発明は、回転体を磁気吸引力により磁気浮上させて支持する磁気軸受装置において、特に、回転体の半径方向への振動に対して振動の減衰を促進する磁気軸受装置に関するものである。 The present invention relates to a magnetic bearing device that supports a rotating body that is magnetically levitated by a magnetic attraction force, and more particularly to a magnetic bearing device that promotes damping of vibration with respect to vibration in the radial direction of the rotating body.
従来の磁気軸受装置としては、固定子側磁極に電気良導体材料からなるダンパリングを組み込み、回転軸に一体となった回転子側磁極の歯の先端角を90度と異なった角度にし、歯の両側の側面を回転軸に対して傾斜を持たせることにより、回転軸に振動が発生したとき、磁束の変化に基づくダンパリングの内部に発生する渦電流が振動エネルギーを吸収し、振動の減衰を促進するものがあった(例えば特許文献1参照)。図25は、前記特許文献1に記載された従来の磁気軸受装置を示すものである。
As a conventional magnetic bearing device, a damper ring made of a good electrical conductor material is incorporated in the stator side magnetic pole, and the tip angle of the teeth of the rotor side magnetic pole integrated with the rotating shaft is set to an angle different from 90 degrees. By tilting the sides on both sides with respect to the rotation axis, when vibration occurs on the rotation axis, the eddy current generated inside the damper ring based on the change in magnetic flux absorbs vibration energy and attenuates vibration. Some have been promoted (see, for example, Patent Document 1). FIG. 25 shows a conventional magnetic bearing device described in
図25において、回転軸101に一体となった磁性の回転子側磁極102とそれに対向する軸受の固定子側磁極103があり、磁極102及び103にはそれぞれ溝107a,107b,107c…及び108a,108b,108c…があり、励磁巻線104の電流で磁束が誘起されて磁気回路(以下、磁路という)が形成される。この磁束により、磁極102と103との間に軸方向の磁気吸引力に基づく推力が発生するとともに、半径方向への軸101の移動に対して歯111a,111b…と歯112a,112b…との対向面積の減少に伴う磁気抵抗の減少に基づく磁気エネルギーの減少に逆らう半径方向の力が発生して軸101の半径方向への移動を押し戻そうとする。
In FIG. 25, there are a magnetic rotor side
また、電気良導体の材料からなり、リング状の制動巻線として作用するダンパリング105及び106が磁極103の歯部112a,112b…に組み込まれる。これは、軸101に振動が生じたとき、磁束の変化に基づくダンパリング105と106の内部に発生する渦電流が振動のエネルギーを吸収し、振動の減衰を促進する作用すなわちダンパ効果の機能を有するものである。
Further,
このダンパ効果を説明するための図25において、紙面に垂直な方向である円周方向の単位長さ当りの歯112bから111bへ通る磁束をφとすると、歯112bに働く半径方向の磁気力は、この磁束φの座標rに関する導関数(−dφ/dr)に比例する。
In FIG. 25 for explaining the damper effect, if the magnetic flux passing from the
ダンパ作用は磁束の時間変化(dφ/dt)に比例する誘起起電力によって生じたダンパリング内に流れる渦電流のジュール損失によって現れる。磁束の変化はラジアル方向の振動による座標rの時間変化によって表すことができ、(数1)の式にて表される。 The damper action appears due to the Joule loss of the eddy current flowing in the damper ring caused by the induced electromotive force proportional to the time change (dφ / dt) of the magnetic flux. The change of the magnetic flux can be expressed by the time change of the coordinate r due to the vibration in the radial direction, and is expressed by the equation (Equation 1).
そして、歯111bと歯112bの径をあらかじめ若干違え、さらに歯の両側の側面を回転軸に対して傾斜を持たせることにより−(dφ/dt)の値を大きくし、ダンパ効果を大きくすることができる磁気軸受装置となっていた。
例えば、磁気軸受装置を加工用の主軸として使用した場合、加工負荷に耐えうる軸受剛性と加工による振動を減衰させるダンピング特性が必要である。しかしながら、従来の磁気軸受装置は、ラジアル方向の変化による磁束の変化に基づく磁気ダンパの内部に発生する渦電流のみにより減衰力を得ているため、加工による振動を減衰させるために十分なダンピング特性のダンパ効果を確保することが困難であるという課題を有していた。 For example, when a magnetic bearing device is used as a main spindle for machining, a bearing rigidity capable of withstanding the machining load and a damping characteristic that attenuates vibration caused by machining are required. However, since the conventional magnetic bearing device obtains damping force only by the eddy current generated inside the magnetic damper based on the change of magnetic flux due to the change in the radial direction, it has sufficient damping characteristics to attenuate the vibration caused by machining. It had the subject that it was difficult to ensure the damper effect of.
本発明は、前記従来技術の問題を解決することに指向するものであり、ダンパ効果を飛躍的に向上させた磁気軸受装置を提供することを目的とする。 The present invention is directed to solving the problems of the prior art, and an object thereof is to provide a magnetic bearing device in which the damper effect is dramatically improved.
前記の目的を達成するために、本発明に係る磁気軸受装置は、固定子側と回転子側の第1軸受磁極を、空隙を介してスラスト方向に対向させ、空隙に面するそれぞれの第1軸受磁極に回転子の回転中心を中心とする同心円状に複数の溝を有し、固定子側で第1軸受磁極の溝の少なくとも1つに電磁石巻線を設置することにより固定子と回転子とに磁気回路を形成したラジアルスラスト軸受と、固定子側と回転子側の第2軸受磁極を、空隙を介してスラスト方向に対向させ、空隙に面するそれぞれの第2軸受磁極に回転子の回転中心を中心とする同心円状に複数の溝を有し、固定子側で第2軸受磁極の溝の少なくとも1つに永久磁石を設置することにより固定子と回転子とに磁気回路を形成したラジアル軸受と、固定子側のダンパ磁極としてラジアル方向に空隙を介して回転子に対向させ、ダンパ磁極に有する溝に永久磁石を設置することにより、固定子と回転子とに磁気回路を形成した磁気ダンパと、により構成するとともに、前記ラジアルスラスト軸受における複数の磁極歯のうち最小の磁極歯の幅をrg1、複数ある磁極歯を4つの磁極歯としてモデル化して、回転子の回転中心からそれぞれの磁極歯が内径rf1,外径rf2,幅rg1、内径rf3,外径rf4,幅rg1、内径rf5,外径rf6,幅rg1、内径rf7,外径rf8,幅rg1、ラジアルスラスト軸受で回転子と固定子とのスラスト方向のギャップをg1、電磁石巻線の巻線に流す電流をI1、巻線の巻き数をN1とし、ラジアル軸受における複数の磁極歯のうち最小の磁極歯の幅をrg2、複数ある磁極歯を4つの磁極歯としてモデル化して、回転子の回転中心からそれぞれの磁極歯が内径rr1,外径rr2,幅rg2、内径rr3,外径rr4,幅rg2、内径rr5,外径rr6,幅rg2、内径rr7,外径rr8,幅rg2、ラジアル軸受で回転子と固定子とのスラスト方向のギャップをg2、永久磁石の磁気回路方向の長さをlp2、永久磁石の内径をRe2、永久磁石のスラスト方向の高さをre2、永久磁石の保持力をHc2とし、磁気ダンパのダンパ磁極と固定子の中心からの半径をR0、ダンパ磁極と回転子のラジアル方向のギャップをg0、ダンパ磁極のスラスト方向の高さをh0、永久磁石の磁気回路方向の長さをlp0、永久磁石のラジアル方向の幅をre0、永久磁石の外径をRe0、永久磁石の保持力をHc0とし、回転子のラジアル方向の変位をx、外径rf8を半径とした円と該半径rf8の円をラジアル方向に変位x移動させたときの元の半径rf8の円との交点で回転中心における角度をα1、外径rr8を半径とした円と該半径rr8の円をラジアル方向に変位x移動させたときの元の半径rr8の円との交点で回転中心における角度をα2、スラスト軸まわりの回転角度をθ、ラジアルスラスト軸受の設置数をm、ラジアル軸受の設置数をn、磁気ダンパの設置数をkとするとき、(数4) In order to achieve the above-described object, the magnetic bearing device according to the present invention is configured so that the first bearing magnetic poles on the stator side and the rotor side are opposed to each other in the thrust direction through the air gap, and the first bearings facing the air gap are provided. The stator magnetic pole has a plurality of concentric grooves centered on the rotation center of the rotor in the bearing magnetic pole, and an electromagnetic winding is installed in at least one of the grooves of the first bearing magnetic pole on the stator side. A radial thrust bearing having a magnetic circuit formed thereon and a second bearing magnetic pole on the stator side and the rotor side are opposed to each other in the thrust direction through a gap, and the rotor is placed on each second bearing magnetic pole facing the gap. A magnetic circuit is formed on the stator and the rotor by having a plurality of grooves concentrically centered on the center of rotation and installing a permanent magnet in at least one of the grooves of the second bearing magnetic pole on the stator side. Radial bearings and radial Al direction so as to face the rotor with a gap, by placing a permanent magnet in the groove with the damper poles, and a magnetic damper which is formed a magnetic circuit in the stator and the rotor, as well as constituted by the radial The minimum magnetic pole tooth width among the plurality of magnetic pole teeth in the thrust bearing is modeled as rg 1 , and the plurality of magnetic pole teeth are modeled as four magnetic pole teeth, and each magnetic pole tooth has an inner diameter rf 1 and an outer diameter from the rotation center of the rotor. rf 2 , width rg 1 , inner diameter rf 3 , outer diameter rf 4 , width rg 1 , inner diameter rf 5 , outer diameter rf 6 , width rg 1 , inner diameter rf 7 , outer diameter rf 8 , width rg 1 , radial thrust bearing The gap between the rotor and the stator in the thrust direction is g 1 , the current flowing through the winding of the electromagnetic winding is I 1 , and the number of turns of the winding is N 1, and the smallest magnetic pole among the plurality of magnetic pole teeth in the radial bearing tooth The rg 2, by modeling the plurality of magnetic pole teeth as four magnetic pole teeth, each of the pole teeth inside diameter rr 1 from the rotational center of the rotor, the outer diameter rr 2, the width rg 2, inner diameter rr 3, the outer diameter rr 4 , Width rg 2 , inner diameter rr 5 , outer diameter rr 6 , width rg 2 , inner diameter rr 7 , outer diameter rr 8 , width rg 2 , a radial bearing with a gap in the thrust direction between the rotor and stator g 2 , permanent The length of the magnet in the magnetic circuit direction is lp 2 , the inner diameter of the permanent magnet is Re 2 , the height of the permanent magnet in the thrust direction is re 2 , and the holding force of the permanent magnet is Hc 2. R 0 radius from the center of, g 0 gap damper pole and the rotor in the radial direction, h 0 in the thrust direction of the height of the damper pole, lp 0 the length of the magnetic circuit direction of the permanent magnet, the permanent magnet The radial width of 0 , the outer diameter of the permanent magnet is Re 0 , the holding force of the permanent magnet is Hc 0 , the displacement of the rotor in the radial direction is x, the circle having the radius of the outer diameter rf 8 and the circle of the radius rf 8 are in the radial direction When the displacement x is moved to the circle of the original radius rf 8 , the circle with the angle at the center of rotation α 1 and the outer diameter rr 8 as the radius and the circle with the radius rr 8 are displaced x in the radial direction. The angle at the center of rotation at the intersection with the circle of the original radius rr 8 when α 2 , the rotation angle around the thrust axis θ, m the number of radial thrust bearings installed, n the number of radial bearings installed, magnetic When the number of dampers is k, (Equation 4)
また、請求項2に記載した磁気軸受装置は、請求項1の磁気軸受装置であって、電磁石巻線に流す電流を変化させることによって、軸受剛性,ダンピング特性を調整することを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, there is provided the magnetic bearing device according to the first aspect , wherein the bearing rigidity and damping characteristics are adjusted by changing a current flowing through the electromagnet winding.
前記構成によれば、回転子をラジアル方向に変位させたとき、ラジアルスラスト軸受とラジアル軸受に発生するラジアル方向の変位と逆向きに発生するラジアル方向の復元力の合力が磁気ダンパにより発生するラジアル方向の吸引力よりも大きくすることにより、高い剛性を有しかつダンピング性能の増大を図ることができ、ラジアル軸受により高い剛性を有し、かつラジアル方向への加工による振動が発生した場合、磁気ダンパによりダンピング性能を確保することができる。 According to the above configuration, when the rotor is displaced in the radial direction, the radial damper generates a resultant force of the restoring force in the radial direction opposite to the radial thrust generated in the radial thrust bearing and the radial bearing by the magnetic damper. By increasing the suction force in the direction, the rigidity can be increased and the damping performance can be increased. When the radial bearing has higher rigidity and vibrations due to processing in the radial direction occur, Damping performance can be secured by the damper.
本発明によれば、回転子にラジアル方向の振動が発生したときに、速やかに振動を低減する磁気軸受装置を提供できるという効果を奏する。 According to the present invention, it is possible to provide a magnetic bearing device that can quickly reduce vibration when radial vibration is generated in the rotor.
以下、図面を参照して本発明における実施の形態を詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(実施形態1)
図1は本発明の実施形態1における磁気軸受装置を示す構造図である。図1において、17は回転体である回転子で、複数の磁極歯(以下、磁歯という)が設けられた軸受磁極11,12に、工具16が取り付けられている。この回転子17側の軸受磁極11,12から微小間隔の距離をおいて固定子側の軸受磁極1,3,5,7、回転子17から微小間隔の距離をおいて回転子17のスラスト方向の変位を検出する変位センサ13,14が配置され、回転子17とは非接触で支持されている。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a structural diagram showing a magnetic bearing device according to
固定子側の軸受磁極1,3,5,7には、回転子17側の軸受磁極11,12に対応した複数の磁歯が設けられ、回転子17を取り巻くリング状に配置されている。固定子側の軸受磁極1,3には回転子17の回転中心を中心とする同心円状に複数の溝を有し、少なくとも1つに電磁石巻線2,4が設置されている。
The stator-side bearing
固定子側の軸受磁極5,7には回転子17の回転中心を中心とするリング状の永久磁石6,8が設置されている。永久磁石6,8は高い吸引力を得るために希土類鉄系磁石などを使用する。
Ring-shaped
また、回転子17からラジアル方向に微小間隔の距離をおいて磁気ダンパのダンパ磁極9が設けられ、回転子17を取り巻くリング状に配置されている。磁気ダンパのダンパ磁極9の溝にはリング状の永久磁石10が設置されている。この永久磁石10も高い磁束を得るために希土類鉄系磁石などを使用する。
Further, a damper
変位センサ13,14としては、よく知られた渦電流形センサ、静電容量形センサ、光センサなどが用いられる。19はケーシングであり、固定子側の軸受磁極1,3,5,7、変位センサ13,14などの固定子側部材が取り付けられている。15はアクチュエータであり、回転子17を回転させるためのモータなどが用いられる。
As the
ラジアル方向の磁気浮上による支持について説明する。固定子側の軸受磁極1,3に取り付けられている電磁石巻線2,4に電流を流して磁束を発生させ、対向する回転子側の軸受磁極11とで磁路が形成される。この磁束により、固定子側の軸受磁極1,3と回転子17側の軸受磁極11との間にスラスト方向の磁気吸引力が発生する。また、ラジアル方向への変位に対しては、固定子側の軸受磁極1,3に形成されている磁歯と回転子側の軸受磁極11との対向面積の減少に伴う磁気エネルギーの減少に逆らうラジアル方向の復元力が発生して、回転子17のラジアル方向の移動を押し戻す。この軸受をラジアルスラスト軸受と呼ぶことにする。
The support by magnetic levitation in the radial direction will be described. A current is passed through the
固定子側の軸受磁極5,7に対向する回転子側の軸受磁極12においては、固定子側の軸受磁極5,7に取り付けられている永久磁石6,8により発生する磁束により、対向する回転子17側の軸受磁極12とで磁路が形成される。この磁束により、固定子側の軸受磁極5,7と回転子17側の軸受磁極12との間にスラスト方向の磁気吸引力が発生する。また、ラジアル方向への変位に対しては、固定子側の軸受磁極5,7に形成されている磁歯と回転子17側の軸受磁極12との対向面積の減少に伴う磁気エネルギーの減少に逆らうラジアル方向の力が発生して、回転子17のラジアル方向の移動を押し戻す。この軸受をラジアル軸受と呼ぶことにする。
In the rotor-side bearing
スラスト方向の磁気浮上による支持について説明する。制御回路の構成は図示していないが、変位センサ13,14の信号と目標位置との偏差を求め、偏差をなくすように電磁石巻線2,4に電流を流し、固定子側の軸受磁極1,3と回転子17側の軸受磁極11との間に生じる磁気吸引力を制御することによって回転子17のスラスト方向の位置を浮上制御する。
The support by magnetic levitation in the thrust direction will be described. Although the configuration of the control circuit is not shown, a deviation between the signals of the
磁気ダンパについて説明する。回転子17がラジアル方向に変位すると、磁束の変化を打ち消す方向に回転子17及び磁気ダンパのダンパ磁極9に渦電流が発生し、この渦電流により運動を制動する力が発生する。この磁気ダンパは平衡点からずれると、回転子17が磁気ダンパのダンパ磁極9に吸引されるので、回転子17をバネ要素で支持しておく必要がある。
The magnetic damper will be described. When the
本実施形態1ではラジアルスラスト軸受及びラジアル軸受の磁気吸引力により非接触でバネ要素を構成している。したがって、非接触浮上をさせるためには、ラジアルスラスト軸受とラジアル軸受のラジアル方向の復元力の和を磁気ダンパの吸引力よりも大きくする必要がある。回転中心からラジアル方向にずれたときの回転子17が磁気ダンパのダンパ磁極9に吸引される方向と、ラジアルスラスト軸受、ラジアル軸受の復元力は逆向きの力である。
In the first embodiment, the spring element is configured in a non-contact manner by the magnetic thrust force of the radial thrust bearing and the radial bearing. Therefore, in order to make non-contact levitation, it is necessary to make the sum of the radial restoring force of the radial thrust bearing and the radial bearing larger than the attractive force of the magnetic damper. The restoring force of the radial thrust bearing and the radial bearing is opposite to the direction in which the
次に、ラジアルスラスト軸受、ラジアル軸受の復元力と回転子17が磁気ダンパのダンパ磁極9に吸引される力を定式化する。また図2はラジアルスラスト軸受の構造を示している。
Next, the radial thrust bearing, the restoring force of the radial bearing and the force with which the
図2に示す第1磁歯51の断面積をS1、第2磁歯52の断面積をS2、第3磁歯53の断面積をS3、第4磁歯54の断面積をS4、電磁石巻線の巻数をN1、巻線に流す電流をI1、軸受磁極の回転子と固定子とのギャップをg1とすると、磁路の磁束Φは(数9)
The cross-sectional area of the first
断面積S1,S2,S3,S4はラジアル方向の変位xの関数なので、磁束Φを変位xで微分すると(数10) Since the cross-sectional areas S 1 , S 2 , S 3 , S 4 are functions of the displacement x in the radial direction, the magnetic flux Φ is differentiated by the displacement x (Equation 10)
また、図3に示す半径rの円がラジアル方向に変位xずれたときの元の円の中心からの距離rθを求めると、角度θにおいて、(数11) Further, when the distance rθ from the center of the original circle when the circle with the radius r shown in FIG. 3 is displaced by x in the radial direction is obtained at the angle θ, (Equation 11)
複数ある磁歯を4つの磁歯としてモデル化する。ラジアルスラスト軸受の複数の磁歯のうち最小の磁歯の幅をrg1とし、第1磁歯51の内径をrf1、外径をrf2、第2磁歯52の内径をrf3、外径をrf4、第3磁歯53の内径をrf5、外径をrf6、第4磁歯54の内径をrf7、外径をrf8とする。
A plurality of magnetic teeth are modeled as four magnetic teeth. The width of the smallest magnetic tooth among the plurality of magnetic teeth of the radial thrust bearing is rg 1 , the inner diameter of the first
図3に示すように外径rf8を半径とした円と半径rf8の円をラジアル方向に変位x移動させたときの元の半径rf8の円との交点の回転中心における角度をα1、第1〜第4磁歯51〜54の幅は等しくrg1とする。図4に示すように、例えば内径をrf1、外径をrf2の磁歯がラジアル方向に変位xずれたとき、微小区間dθにおける面積dS及び面積の変位xの微分は(数12)
As shown in FIG. 3, the angle at the rotation center at the intersection of the circle having the radius of the outer diameter rf 8 and the circle of the radius rf 8 displaced by x in the radial direction and the original circle of the radius rf 8 is α1, The widths of the first to fourth
また(数10),(数12)の式より、(数13)
From the formulas (10) and (12), (13)
この区間での磁路の磁気エネルギーをWmとすると、変位xに対する復元力Ff1は(数14) When the magnetic energy of the magnetic path in this section is W m , the restoring force Ff1 with respect to the displacement x is (Expression 14)
また、角度α1からπradまでの範囲では、微小区間dθにおける面積dS及び面積の変位xの微分は(数15) Further, in the range from the angle α1 to πrad, the differential of the area dS and the displacement x of the area in the minute section dθ is (Equation 15)
この区間での変位xに対する復元力をFf2とすると(数16) If the restoring force for the displacement x in this section is Ff2, (Equation 16)
次に、ラジアル軸受の復元力を求める。図5はラジアル軸受の構造図である。図5において、第5磁歯55の断面積をS1、第6磁歯56の断面積をS2、第7磁歯57の断面積をS3、第8磁歯58の断面積をS4、軸受磁極の回転子17と固定子とのギャップをg2、永久磁石の磁路方向の長さをlp2、永久磁石の内径をRe2、永久磁石のスラスト方向の高さをre2、永久磁石の保持力をHc2、永久磁石の断面積をS5とすると、磁路の磁束Φは(数17)
Next, the restoring force of the radial bearing is obtained. FIG. 5 is a structural diagram of a radial bearing. In FIG. 5, the sectional area of the fifth
断面積S1,S2,S3,S4はラジアル方向の変位xの関数なので、磁束Φを変位xで微分すると(数18) Since the cross-sectional areas S 1 , S 2 , S 3 and S 4 are functions of the displacement x in the radial direction, the magnetic flux Φ is differentiated by the displacement x (Equation 18)
複数ある磁歯を4つの磁歯としてモデル化する。ラジアル軸受の複数の磁歯のうち最小の磁歯の幅をrg2とし、第5磁歯55の内径をrr1、外径をrr2、第6磁歯56の内径をrr3、外径をrr4、第7磁歯57の内径をrr5、外径をrr6、第8磁歯58の内径をrr7、外径をrr8とする。外径rr8を半径とした円と半径rr8の円をラジアル方向に変位x移動させたときの元の半径rr8の円との交点の回転中心における角度をα2とし、第5〜第8磁歯55〜58の幅は等しくrg2とする。ラジアル方向に変位xずれたとき、微小区間dθにおける面積dS及び面積の変位xの微分は(数19)
A plurality of magnetic teeth are modeled as four magnetic teeth. The width of the smallest magnetic tooth among the plurality of magnetic teeth of the radial bearing is rg 2 , the inner diameter of the fifth
(数18),(数19)の式より、(数20)
From the equations of (Equation 18) and (Equation 19), (Equation 20)
この区間での変位xに対する復元力Fr1は(数21) The restoring force Fr1 with respect to the displacement x in this section is (Expression 21)
また、角度α2からπradまでの範囲では、微小区間dθにおける面積dS及び面積の変位xの微分は(数22) In the range from the angle α2 to πrad, the differential of the area dS and the displacement x of the area in the minute section dθ is (Equation 22)
この区間での変位xに対する復元力をFr2とすると(数23) When the restoring force for the displacement x in this section is Fr2, (Equation 23)
次に、磁気ダンパの吸引力を求める。図7に磁気ダンパの構造図を示す。磁気ダンパのダンパ磁極9(磁歯)の面積をS0、磁気ダンパのダンパ磁極9と固定子の中心からの半径をR0、回転子17の半径をr0、固定子と回転子17のラジアル方向のギャップをge0、ダンパ磁極9(磁歯)のスラスト方向の高さをh0、永久磁石の磁路方向の長さをlp0、永久磁石のラジアル方向の幅をre0、永久磁石の外径をRe0、永久磁石の保持力をHc0、永久磁石の断面積をS6とすると、磁気ダンパの吸引力Fd1は(数24)
Next, the attractive force of the magnetic damper is obtained. FIG. 7 shows a structural diagram of the magnetic damper. The area of the damper magnetic pole 9 (magnetic tooth) of the magnetic damper is S 0 , the radius from the center of the damper
ダンパ磁極9の磁歯の面積S0、永久磁石の断面積S6、ギャップge0は(数25)
The area S 0 of the magnetic teeth of the damper
したがって、変位xに対する力Fd1xは(数26) Therefore, the force Fd1 x with respect to the displacement x is (number 26)
ここで、ラジアルスラスト軸受の設置数をm、ラジアル軸受の設置数をn、磁気ダンパの設置数をkとするとき、非接触浮上をさせるために、ラジアルスラスト軸受とラジアル軸受のラジアル方向の復元力の和を磁気ダンパの吸引力よりも大きくするための条件は(数27) Here, when the number of radial thrust bearings is m, the number of radial bearings is n, and the number of magnetic dampers is k, the radial thrust bearing and the radial bearing are restored in the radial direction in order to achieve non-contact levitation. The condition for making the sum of forces larger than the attractive force of the magnetic damper is (Equation 27)
ラジアルスラスト軸受はスラスト方向の軸受を兼用しているため、スラスト方向の吸引力を線形化するために、対向させて設置する(m=2)ことが望ましい。 Since radial thrust bearings also serve as thrust direction bearings, it is desirable that they be installed facing each other (m = 2) in order to linearize the thrust force in the thrust direction.
次に、本実施形態1の具体的な設計例を示す。前述したラジアルスラスト軸受の複数の磁歯のうち最小の磁歯の幅をrg1=0.4mm、回転子17の中心からそれぞれ内径rf1=9.5mm、外径rf2=9.9mm、内径rf3=10.3mm、外径rf4=10.7mm、内径rf5=11.1mm、外径rf6=11.5mm、内径rf7=11.9mm、外径rf8=12.3mm、ラジアルスラスト軸受と回転子17とのスラスト方向のギャップをg1=0.025mm、電磁石巻線に流す電流をI1=0.15A、巻線の巻き数をN1=300ターンとする。
Next, a specific design example of the first embodiment will be shown. The minimum magnetic tooth width among the plurality of magnetic teeth of the radial thrust bearing described above is rg 1 = 0.4 mm, the inner diameter rf 1 = 9.5 mm, the outer diameter rf 2 = 9.9 mm from the center of the
また、ラジアル軸受の複数の磁歯のうち最小の磁歯の幅をrg1、複数ある磁歯を4つの磁歯としてモデル化し、回転子17の中心から内径rr1=9.5mm、外径rr2=9.9mm、内径rr3=10.3mm、外径rr4=10.7mm、内径rr5=11.1mm、外径rr6=11.5mm、内径rr7=11.9mm、外径rr8=12.3mm、ラジアル軸受と回転子17とのスラスト方向のギャップをg2=0.025mm、永久磁石の磁路方向の長さをlp2=3mm、永久磁石の内径をRe2=10.7mm、永久磁石のスラスト方向の高さをre2=1.2mm、永久磁石の保持力をHc2=891×103A/mとする。
Further, the minimum magnetic tooth width among the plurality of magnetic teeth of the radial bearing is modeled as rg 1 , and the plurality of magnetic teeth are modeled as four magnetic teeth, and the inner diameter rr 1 = 9.5 mm from the center of the
そして、磁気ダンパのダンパ磁極と固定子の中心からの半径をR0=12.4mm、ダンパ磁極(磁歯)のスラスト方向の高さをh0=1mm、永久磁石の磁路方向の長さをlp0=3mm、永久磁石のラジアル方向の幅をre0=1.3mm、外径をRe0=15mm、永久磁石の保持力をHc0=891×103A/m、回転子17のラジアル方向の変位をx=0.05mm、スラスト軸まわりの回転角度をθ、ラジアルスラスト軸受の設置数をm=1、ラジアル軸受の設置数をn=1、磁気ダンパの設置数をk=1とするとき、磁気ダンパのダンパ磁極と回転子17のラジアル方向のギャップg0を変化させたときの(数27)の計算結果を図8に示す。(数27)の右辺>左辺となっている磁気ダンパのギャップで条件を満たしている。
Then, the radius from the center of the damper magnetic pole and the stator of the magnetic damper is R 0 = 12.4 mm, the height of the damper magnetic pole (magnetic tooth) in the thrust direction is h 0 = 1 mm, and the length of the permanent magnet in the magnetic path direction Lp 0 = 3 mm, the radial width of the permanent magnet is re 0 = 1.3 mm, the outer diameter is Re 0 = 15 mm, the holding force of the permanent magnet is Hc 0 = 891 × 10 3 A / m, the
(実施形態2)
図9は本発明の実施形態2における磁気軸受装置を示す構造図である。本実施形態2は前述した実施形態1の磁気ダンパを電磁石タイプとしたものである。図10に本実施形態2における磁気ダンパの構造図を示す。磁気ダンパのダンパ磁極20(磁歯)の面積をS0、磁気ダンパ20のダンパ磁極と回転子17とのギャップをge0、回転中心から磁極までの半径をR0、電磁石巻線の巻数をN0、巻線を流れる電流をI0とすると、電磁石の吸引力Fd2は(数28)
(Embodiment 2)
FIG. 9 is a structural diagram showing a magnetic bearing device according to
したがって、変位xに対する力Fd2xは(数29) Therefore, the force Fd2x with respect to the displacement x is (Equation 29).
ラジアルスラスト軸受の設置数をm、ラジアル軸受の設置数をn、磁気ダンパの設置数をkとするとき、非接触浮上をさせるために、ラジアルスラスト軸受とラジアル軸受のラジアル方向の復元力の和を磁気ダンパの吸引力よりも大きくするための条件は(数30) When the number of radial thrust bearings is m, the number of radial bearings is n, and the number of magnetic dampers is k, the sum of the restoring forces in the radial direction of the radial thrust bearing and the radial bearing is used to make contactless levitation. The condition for making the magnetic force larger than the attractive force of the magnetic damper is (Equation 30)
電磁石タイプにすることにより、加工に応じて電流値を変化させることにより磁気ダンパの効果を調整することができる。 By using an electromagnet type, the effect of the magnetic damper can be adjusted by changing the current value in accordance with processing.
本実施形態2の具体的な設計例を示す。前述したラジアルスラスト軸受の複数の磁歯のうち最小の磁歯の幅をrg1=0.4mm、回転子17の回転中心からそれぞれ内径rf1=9.5mm、外径rf2=9.9mm、内径rf3=10.3mm、外径rf4=10.7mm、内径rf5=11.1mm、外径rf6=11.5mm、内径rf7=11.9mm、外径rf8=12.3mm、ラジアルスラスト軸受と回転子17とのスラスト方向のギャップをg1=0.025mm、電磁石巻線に流す電流をI1=0.15A、巻線の巻き数をN1=300ターンとする。
A specific design example of the second embodiment will be described. The minimum magnetic tooth width among the plurality of magnetic teeth of the radial thrust bearing described above is rg 1 = 0.4 mm, the inner diameter rf 1 = 9.5 mm and the outer diameter rf 2 = 9.9 mm from the rotation center of the
また、ラジアル軸受の複数の磁歯のうち最小の磁歯の幅をrg2、複数ある磁歯を4つの磁歯としてモデル化して、回転子17の回転中心から内径rr1=9.5mm、外径rr2=9.9mm、内径rr3=10.3mm、外径rr4=10.7mm、内径rr5=11.1mm、外径rr6=11.5mm、内径rr7=11.9mm、外径rr8=12.3mm、ラジアル軸受と回転子17とのスラスト方向のギャップをg2=0.025mm、永久磁石の磁路方向の長さをlp2=3mm、永久磁石の内径をRe2=10.7mm、永久磁石のスラスト方向の高さをre2=1.2mm、永久磁石の保持力をHc2=891×103A/mとする。
Further, the minimum magnetic tooth width among the plurality of magnetic teeth of the radial bearing is modeled as rg 2 , and the plurality of magnetic teeth are modeled as four magnetic teeth, and the inner diameter rr 1 = 9.5 mm from the rotation center of the
そして、磁気ダンパのダンパ磁極と固定子の中心からの半径をR0=12.4mm、ダンパ磁極(磁歯)のスラスト方向の高さをh0=1mm、電磁石巻線に流す電流をI0=0.17A、巻線の巻き数をN0=300ターン、回転子17のラジアル方向の変位をx=0.05mm、スラスト軸まわりの回転角度をθ、ラジアルスラスト軸受の設置数をm=1、ラジアル軸受の設置数をn=1、磁気ダンパの設置数をk=1とするとき、磁気ダンパのダンパ磁極と回転子17のラジアル方向のギャップg0を変化させたときの(数30)の計算結果を図11に示す。(数30)の右辺>左辺となっている磁気ダンパのギャップで条件を満たしている。
Then, the radius from the center of the damper magnetic pole and the stator of the magnetic damper is R 0 = 12.4 mm, the height of the damper magnetic pole (magnetic tooth) in the thrust direction is h 0 = 1 mm, and the current flowing through the electromagnetic winding is I 0. = 0.17 A, the number of turns of the winding is N 0 = 300 turns, the displacement of the
(実施形態3)
図12は本発明の実施形態3における磁気軸受装置を示す構造図である。本実施形態3は前述した実施形態2のラジアル軸受を電磁石タイプとしたものである。実施形態1と同様に、ラジアル軸受の複数の磁歯のうち最小の磁歯の幅をrg2とし、4つの磁歯を内側から内径をrr1、外径をrr2、内径をrr3、外径をrr4、内径をrr5、外径をrr6、内径をrr7、外径をrr8とする。電磁石巻線の巻数をN2、巻線に流す電流をI2とすると、外径rr8を半径とした円と半径rr8の円をラジアル方向に変位x移動させたときの元の半径rr8の円との交点の回転中心における角度をα2とし、4つの磁歯の幅は等しくrg2とする。変位xに対する復元力Fr1、Fr2は(数31)
(Embodiment 3)
FIG. 12 is a structural diagram showing a magnetic bearing device according to
ラジアルスラスト軸受の設置数をm、ラジアル軸受の設置数をn、磁気ダンパの設置数をkとするとき、非接触浮上をさせるために、ラジアルスラスト軸受とラジアル軸受のラジアル方向の復元力の和を磁気ダンパの吸引力よりも大きくするための条件は(数32) When the number of radial thrust bearings is m, the number of radial bearings is n, and the number of magnetic dampers is k, the sum of the restoring forces in the radial direction of the radial thrust bearing and the radial bearing is used to make contactless levitation. The condition for making the magnetic force larger than the attractive force of the magnetic damper is (Expression 32)
電磁石タイプにすることにより、加工に応じて電流値を変化させることにより剛性及び磁気ダンパの効果を調整することができる。 By using an electromagnet type, the rigidity and the effect of the magnetic damper can be adjusted by changing the current value according to the processing.
次に、実施形態3の具体的な設計例を示す。前述したラジアルスラスト軸受の複数の磁歯のうち最小の磁歯の幅をrg1=0.4mm、回転子17の回転中心からそれぞれ内径rf1=9.5mm、外径rf2=9.9mm、内径rf3=10.3mm、外径rf4=10.7mm、内径rf5=11.1mm、外径rf6=11.5mm、内径rf7=11.9mm、外径rf8=12.3mm、ラジアルスラスト軸受と回転子17とのスラスト方向のギャップをg1=0.025mm、電磁石巻線に流す電流をI1=0.15A、巻線の巻き数をN1=300ターンとする。
Next, a specific design example of the third embodiment is shown. The minimum magnetic tooth width among the plurality of magnetic teeth of the radial thrust bearing described above is rg 1 = 0.4 mm, the inner diameter rf 1 = 9.5 mm and the outer diameter rf 2 = 9.9 mm from the rotation center of the
また、ラジアル軸受の複数の磁歯のうち最小の磁歯の幅をrg2、複数ある磁歯を4つの磁歯としてモデル化し、回転子17の回転中心から内径rr1=9.5mm、外径rr2=9.9mm、内径rr3=10.3mm、外径rr4=10.7mm、内径rr5=11.1mm、外径rr6=11.5mm、内径rr7=11.9mm、外径rr8=12.3mm、ラジアル軸受と回転子17とのスラスト方向のギャップをg2=0.025mm、電磁石巻線に流す電流をI2=0.15A、巻数の巻き数をN2=300ターンとする。
Further, the minimum magnetic tooth width of the plurality of magnetic teeth of the radial bearing is modeled as rg 2 , and the plurality of magnetic teeth are modeled as four magnetic teeth, and the inner diameter rr 1 = 9.5 mm from the rotation center of the
そして、磁気ダンパのダンパ磁極と固定子の中心からの半径をR0=12.4mm、ダンパ磁極(磁歯)のスラスト方向の高さをh0=1mm、電磁石巻線に流す電流をI0=0.17A、巻線の巻き数をN0=300ターン、回転子17のラジアル方向の変位をx=0.05mm、スラスト軸まわりの回転角度をθ、ラジアルスラスト軸受の設置数をm=1、ラジアル軸受の設置数をn=1、磁気ダンパの設置数をk=1とするとき、磁気ダンパのダンパ磁極と回転子17のラジアル方向のギャップg0を変化させたときの(数32)の計算結果を図13に示す。(数32)の右辺>左辺となっている磁気ダンパのギャップで条件を満たしている。
Then, the radius from the center of the damper magnetic pole and the stator of the magnetic damper is R 0 = 12.4 mm, the height of the damper magnetic pole (magnetic tooth) in the thrust direction is h 0 = 1 mm, and the current flowing through the electromagnetic winding is I 0. = 0.17 A, the number of turns of the winding is N 0 = 300 turns, the displacement of the
(実施形態4)
図14は本発明の実施形態4における磁気軸受の構造図を示す図である。前述した実施形態1〜3は、軸受磁極とダンパ磁極が別構造で構成されていたが、本実施形態4では同一磁路に軸受磁極とダンパ磁極を設けて兼用した磁気軸受である。
(Embodiment 4)
FIG. 14 is a view showing the structure of a magnetic bearing according to
ダンパ磁極の磁気ダンパを別に構成する必要がないため、装置を小型化ができ、また回転子の長さを短くすることができるため、固有振動数を高くすることができる。さらに、永久磁石をはじめとする部品点数を削減することができ、コストダウンを実現できる。 Since it is not necessary to separately configure a magnetic damper for the damper magnetic pole, the apparatus can be miniaturized and the length of the rotor can be shortened, so that the natural frequency can be increased. Furthermore, the number of parts including a permanent magnet can be reduced, and the cost can be reduced.
本実施形態4について図14を用いて説明する。17は回転子であり、複数の磁歯が設けられた軸受磁極11が取り付けられている。この回転子17側の軸受磁極11からスラスト方向に微小間隔の距離(空隙)をおいて固定子側の軸受磁極31が配置されている。固定子側の軸受磁極31には、回転子側の軸受磁極11に対応した複数の磁歯が設けられ、回転子17を取り巻くリング状に配置されている。また、固定子側の軸受磁極31には回転子17の回転中心を中心とする同心円状に複数の溝を有し、少なくとも1つに電磁石巻線32が設置されている。また、固定子側の軸受磁極31には、回転子17の軸受磁極11からラジアル方向に微小間隔の距離をおいて磁気ダンパ用のダンパ磁極33が設けられている。
The fourth embodiment will be described with reference to FIG.
ラジアル方向の磁気浮上による支持について説明する。固定子側の軸受磁極31に取り付けられている電磁石巻線32に電流を流し磁束を発生させ、固定子側の軸受磁極31の磁歯と対向する回転子17側の軸受磁極11の磁歯と磁気ダンパ用のダンパ磁極33の磁歯とで磁路が形成される。この磁束により、固定子側の軸受磁極31と回転子17側の軸受磁極11との間にスラスト方向の磁気吸引力が発生する。また、ラジアル方向への変位xに対しては、固定子側の軸受磁極31に形成されている磁歯と回転子17側の軸受磁極11の磁歯との対向面積の減少に伴う磁気エネルギーの減少に逆らうラジアル方向の復元力が発生して回転子17のラジアル方向の移動を押し戻す。
The support by magnetic levitation in the radial direction will be described. A current is passed through the electromagnet winding 32 attached to the bearing
磁気ダンパの動作について説明する。回転子17がラジアル方向に変位すると、磁束の変化を打ち消す方向に回転子17及びダンパ磁極33に渦電流が発生し、この渦電流により運動を制動する力が発生する。この磁気ダンパは平衡点からずれると、回転子17がダンパ磁極33に吸引されるので、回転子17をバネ要素で支持しておく必要がある。本実施形態4では磁気ダンパと同一磁路に設けられている軸受磁極のラジアル方向の磁気吸引力により非接触なバネ要素を構成している。したがって、非接触浮上をさせるためには、軸受磁極のラジアル方向の復元力が磁気ダンパの吸引力よりも大きくなる必要がある。回転中心からラジアル方向にずれたときの回転子17がダンパ磁極33に吸引される方向と、軸受磁極のスラスト方向の復元力は逆向きの力である。
The operation of the magnetic damper will be described. When the
ダンパ効果の発生を確認するために、図15に示すモデルを用いてCAE解析(Computer Aided Engineering)を行った。ダンパ効果のみの解析とするため、軸受磁極のスラスト方向の復元力が働かないよう回転子17側の軸受磁極をフラットにした。ラジアル方向のバネ定数は解析ソフト上で与えた。固定子側の磁極と回転子側の磁極のギャップは、スラスト方向(軸受磁極)0.025mm、ラジアル方向(ダンパ磁極)0.1mm、初期のラジアル方向変位を0.010mm、希土類永久磁石を使用したときの固定子側に発生する電流を図16、回転子17側に発生する電流を図17、回転子17のラジアル方向の変位を図18に示す。図18に示すように、回転子17の変位が減衰していることが分かる。
In order to confirm the occurrence of the damper effect, CAE analysis (Computer Aided Engineering) was performed using the model shown in FIG. In order to analyze only the damper effect, the bearing magnetic pole on the
次に、軸受磁極の復元力とダンパ磁極の吸引力を定式化する。図14に示すように、複数ある磁歯を2つの磁歯としてモデル化する。第9磁歯61の断面積をS1,第10磁歯62の断面積をS2,ダンパ磁極33(磁歯)の面積をS、電磁石巻線32の巻数をN、巻線に流す電流をI、第9磁歯61及び第10磁歯62と回転子17とのギャップをg3、ダンパ磁極33と回転子17の軸受磁極11とのラジアル方向のギャップをgとすると、磁路の磁束Φは(数33)
Next, the restoring force of the bearing magnetic pole and the attractive force of the damper magnetic pole are formulated. As shown in FIG. 14, a plurality of magnetic teeth are modeled as two magnetic teeth. The cross-sectional area of the ninth
断面積S1,S2はラジアル方向の変位xの関数なので、磁束Φを変位xで微分すると(数34) Since the sectional areas S 1 and S 2 are functions of the radial displacement x, the magnetic flux Φ is differentiated by the displacement x (Equation 34).
第9磁歯61の内径をr1、外径をr2、第10磁歯62の内径をr3、外径をr4とする。図19に示すように外径r4を半径とした円と半径r4の円をラジアル方向に変位x移動させたときの元の半径r4の円との交点で回転中心における角度をαとし、第9磁歯61、第10磁歯62の幅は等しくrgとすると、微小区間dθの面積及び面積の変位xの微分は(数35)
The inner diameter of the ninth
(数34),(数35)より、(数36)
From (Expression 34) and (Expression 35), (Expression 36)
変位xに対する復元力F1は(数37) The restoring force F1 with respect to the displacement x is (Expression 37)
また、角度αからπradまでの範囲では、微小区間dθの面積及び面積の変位xの微分は(数38) Further, in the range from the angle α to π rad, the differential of the area of the minute section dθ and the displacement x of the area is (Equation 38).
この区間での変位xに対する復元力F2は(数39) The restoring force F2 with respect to the displacement x in this section is (Equation 39)
また、磁気ダンパの変位xに対する吸引力Fd3xは(数40),(数41)より(数42) The suction force Fd3 x is (number 40) relative to the displacement x of the magnetic damper (number 41) from the equation (42)
したがって、軸受磁極の復元力をダンパ磁極の吸引力よりも大きくするためには、(数43) Therefore, in order to make the restoring force of the bearing magnetic pole larger than the attractive force of the damper magnetic pole, (Equation 43)
図20は本実施形態4の磁気軸受で構成された磁気軸受装置の例を示す図である。図20に示すように、工具16に近い方(フロント側)の磁気軸受に本実施形態4の磁気軸受を設置し、工具16から遠い方(リヤ側)の磁気軸受は実施形態1の永久磁石を使用したラジアル軸受で構成している。 FIG. 20 is a diagram showing an example of a magnetic bearing device constituted by the magnetic bearing of the fourth embodiment. As shown in FIG. 20, the magnetic bearing of the fourth embodiment is installed on the magnetic bearing closer to the tool 16 (front side), and the magnetic bearing farther from the tool 16 (rear side) is the permanent magnet of the first embodiment. It consists of a radial bearing using
次に、本実施形態4の具体的な設計例を示す。図14に示す磁極A面の複数の磁歯のうち最小の磁歯の幅をrg=0.4mm、回転子17の回転中心からそれぞれ内径r1=9.5mm、外径r2=9.9mm、内径r3=10.3mm、外径r4=10.7mm、磁極A面と回転子17とのスラスト方向のギャップをg3=0.050mm、磁極B面と固定子の中心からの半径をR=12.4mm、磁極B面と回転子17のラジアル方向のギャップをg=0.1mm、回転子17のラジアル方向の変位をx=0.05mm、スラスト軸まわりの回転角度をθとするとき、ダンパ磁極33(磁歯)のスラスト方向の高さhを変化させたときの(数43)の計算結果を図21に示す。(数43)の右辺>左辺となっているダンパ磁極33のスラスト方向の高さで条件を満たしている。
Next, a specific design example of the fourth embodiment will be shown. Of the plurality of magnetic teeth on the magnetic pole A surface shown in FIG. 14, the width of the smallest magnetic tooth is rg = 0.4 mm, the inner diameter r 1 = 9.5 mm and the outer diameter r 2 = 9. 9 mm, inner diameter r 3 = 10.3 mm, outer diameter r 4 = 10.7 mm, the gap in the thrust direction between the magnetic pole A surface and the
(実施形態5)
図22は本発明の実施形態5における磁気軸受装置を示す構造図である。本実施形態5は実施形態4の磁気軸受の電磁石巻線を永久磁石にしたものである。第9磁歯61の断面積をS1,第10磁歯62の断面積をS2,ダンパ磁極37の面積をS、永久磁石の磁路方向の長さをlp、永久磁石のラジアル方向の幅をre、永久磁石の外径をRe、永久磁石の保持力をHc、永久磁石の断面積をS6、第9磁歯61及び第10磁歯62と回転子17とのギャップをg3、ダンパ磁極37と回転子17とのギャップをgとすると、磁路の磁束Φは(数44)
(Embodiment 5)
FIG. 22 is a structural diagram showing a magnetic bearing device according to
ここで、永久磁石の断面積S6は(数45)
Here, the cross-sectional area S 6 of the permanent magnets (number 45)
断面積S1,S2はラジアル方向の変位xの関数なので、磁束Φを変位xで微分すると(数46) Since the sectional areas S 1 and S 2 are functions of the displacement x in the radial direction, the magnetic flux Φ is differentiated by the displacement x (Equation 46)
(数35),(数45)より、(数47)
From (Equation 35) and (Equation 45), (Equation 47)
したがって、変位xに対する復元力F1は(数48) Therefore, the restoring force F1 with respect to the displacement x is (Formula 48).
また、角度αからπradまでの範囲における変位xに対する復元力F2は(数49) Further, the restoring force F2 with respect to the displacement x in the range from the angle α to π rad is (Equation 49).
また、磁気ダンパの吸引力は(数50) Also, the attractive force of the magnetic damper is (Equation 50)
(数41)より、磁気ダンパの吸引力によるラジアル方向の成分は(数51)
From (Equation 41), the radial component due to the attractive force of the magnetic damper is (Equation 51).
したがって、軸受磁極によるラジアル方向の復元力を磁気ダンパの吸引力よりも大きくするためには、(数52) Therefore, in order to make the radial restoring force by the bearing magnetic pole larger than the attractive force of the magnetic damper, (Equation 52)
また、図24に示すように、ダンパ磁極の磁極D面を回転子の回転軸側に配置しても同様の効果が得られる。 As shown in FIG. 24, the same effect can be obtained even when the magnetic pole D surface of the damper magnetic pole is arranged on the rotating shaft side of the rotor.
次に、本実施形態5の具体的な設計例を示す。図22に示す磁極A面の複数の磁歯のうち最小の磁歯の幅をrg=0.4mm、回転子17の回転中心からそれぞれ内径r1=9.5mm、外径r2=9.9mm、内径r3=10.3mm、外径r4=10.7mm、磁極A面と回転子17とのスラスト方向のギャップをg3=0.025mm、磁極B面の固定子の中心からの半径をR=12.4mm、磁極B面と回転子17のラジアル方向のギャップをg=0.1mm、永久磁石の磁路方向の長さをlp=3mm、永久磁石のラジアル方向の幅をre=1.3mm、外径をRe=15mm、回転子17のラジアル方向の変位をx=0.05mm、スラスト軸まわりの回転角度をθとするとき、ダンパ磁極37(磁歯)のスラスト方向の高さhを変化させたときの(数52)の計算結果を図23に示す。(数52)の右辺>左辺となっているダンパ磁極37のスラスト方向の高さで条件を満たしている。
Next, a specific design example of the fifth embodiment will be shown. The minimum magnetic tooth width among the plurality of magnetic teeth on the magnetic pole A surface shown in FIG. 22 is rg = 0.4 mm, the inner diameter r 1 = 9.5 mm from the rotation center of the
本発明に係る磁気軸受装置は、回転子に加わる外乱の大きさに応じてダンパ効果を増大させることができるため、回転子に加わる外乱が大きく変化する工作機械用として有用である。 Since the magnetic bearing device according to the present invention can increase the damper effect according to the magnitude of the disturbance applied to the rotor, it is useful for machine tools in which the disturbance applied to the rotor changes greatly.
1,3,5,7,25,27,31,35 固定子側の軸受磁極
2,4,21,26,28,32 電磁石巻線
6,8,10,36 永久磁石
9,20,33,37 固定子側のダンパ磁極
11,12 回転子側の軸受磁極
13,14 変位センサ
15 アクチュエータ
16 工具
17 回転子
19 ケーシング
51 第1磁歯
52 第2磁歯
53 第3磁歯
54 第4磁歯
55 第5磁歯
56 第6磁歯
57 第7磁歯
58 第8磁歯
61 第9磁歯
62 第10磁歯
1, 3, 5, 7, 25, 27, 31, 35 Stator-side bearing
Claims (2)
前記固定子側と前記回転子側の第2軸受磁極を、空隙を介してスラスト方向に対向させ、前記空隙に面するそれぞれの第2軸受磁極に前記回転子の回転中心を中心とする同心円状に複数の溝を有し、前記固定子側で第2軸受磁極の溝の少なくとも1つに永久磁石を設置することにより前記固定子と前記回転子とに磁気回路を形成したラジアル軸受と、
前記固定子側のダンパ磁極としてラジアル方向に空隙を介して前記回転子に対向させ、前記ダンパ磁極に有する溝に永久磁石を設置することにより、前記固定子と前記回転子とに磁気回路を形成した磁気ダンパと、により構成するとともに、
前記ラジアルスラスト軸受における複数の磁極歯のうち最小の磁極歯の幅をrg1、前記複数ある磁極歯を4つの磁極歯としてモデル化して、回転子の回転中心からそれぞれの磁極歯が内径rf1,外径rf2,幅rg1、内径rf3,外径rf4,幅rg1、内径rf5,外径rf6,幅rg1、内径rf7,外径rf8,幅rg1、前記ラジアルスラスト軸受で前記回転子と前記固定子とのスラスト方向のギャップをg1、電磁石巻線の巻線に流す電流をI1、前記巻線の巻き数をN1とし、
前記ラジアル軸受における複数の磁極歯のうち最小の磁極歯の幅をrg2、前記複数ある磁極歯を4つの磁極歯としてモデル化して、前記回転子の回転中心からそれぞれの磁極歯が内径rr1,外径rr2,幅rg2、内径rr3,外径rr4,幅rg2、内径rr5,外径rr6,幅rg2、内径rr7,外径rr8,幅rg2、前記ラジアル軸受で前記回転子と前記固定子とのスラスト方向のギャップをg2、永久磁石の磁気回路方向の長さをlp2、前記永久磁石の内径をRe2、前記永久磁石のスラスト方向の高さをre2、前記永久磁石の保持力をHc2とし、
前記磁気ダンパのダンパ磁極と前記固定子の中心からの半径をR0、前記ダンパ磁極と前記回転子のラジアル方向のギャップをg0、前記ダンパ磁極のスラスト方向の高さをh0、前記永久磁石の磁気回路方向の長さをlp0、前記永久磁石のラジアル方向の幅をre0、前記永久磁石の外径をRe0、前記永久磁石の保持力をHc0とし、
前記回転子のラジアル方向の変位をx、前記外径rf8を半径とした円と該半径rf8の円をラジアル方向に前記変位x移動させたときの元の半径rf8の円との交点で回転中心における角度をα1、前記外径rr8を半径とした円と該半径rr8の円をラジアル方向に前記変位x移動させたときの元の半径rr8の円との交点で回転中心における角度をα2、スラスト軸まわりの回転角度をθ、前記ラジアルスラスト軸受の設置数をm、前記ラジアル軸受の設置数をn、前記磁気ダンパの設置数をkとするとき、(数1)
The second bearing magnetic poles on the stator side and the rotor side are opposed to each other in the thrust direction through a gap, and each second bearing magnetic pole facing the gap has a concentric shape centered on the rotation center of the rotor. A radial bearing in which a magnetic circuit is formed in the stator and the rotor by installing a permanent magnet in at least one of the grooves of the second bearing magnetic pole on the stator side,
A magnetic circuit is formed between the stator and the rotor by placing a permanent magnet in a groove provided in the damper magnetic pole so as to face the rotor via a gap in the radial direction as a damper magnetic pole on the stator side. And a magnetic damper
The minimum magnetic pole tooth width of the plurality of magnetic pole teeth in the radial thrust bearing is modeled as rg 1 , and the plurality of magnetic pole teeth are modeled as four magnetic pole teeth, and each magnetic pole tooth has an inner diameter rf 1 from the rotation center of the rotor. , Outer diameter rf 2 , width rg 1 , inner diameter rf 3 , outer diameter rf 4 , width rg 1 , inner diameter rf 5 , outer diameter rf 6 , width rg 1 , inner diameter rf 7 , outer diameter rf 8 , width rg 1 , In the radial thrust bearing, the gap in the thrust direction between the rotor and the stator is g 1 , the current flowing through the winding of the electromagnetic winding is I 1 , and the number of turns of the winding is N 1 .
The minimum magnetic pole tooth width of the plurality of magnetic pole teeth in the radial bearing is modeled as rg 2 , and the plurality of magnetic pole teeth are modeled as four magnetic pole teeth, and each magnetic pole tooth has an inner diameter rr 1 from the rotation center of the rotor. , Outer diameter rr 2 , width rg 2 , inner diameter rr 3 , outer diameter rr 4 , width rg 2 , inner diameter rr 5 , outer diameter rr 6 , width rg 2 , inner diameter rr 7 , outer diameter rr 8 , width rg 2 , In the radial bearing, the gap in the thrust direction between the rotor and the stator is g 2 , the length of the permanent magnet in the magnetic circuit direction is lp 2 , the inner diameter of the permanent magnet is Re 2 , and the height in the thrust direction of the permanent magnet is high. Re 2 , and the holding force of the permanent magnet is Hc 2 ,
The radius from the center of the damper magnetic pole and the stator of the magnetic damper is R 0 , the radial gap between the damper magnetic pole and the rotor is g 0 , the height of the damper magnetic pole in the thrust direction is h 0 , and the permanent The length of the magnet in the magnetic circuit direction is lp 0 , the radial width of the permanent magnet is re 0 , the outer diameter of the permanent magnet is Re 0 , and the holding force of the permanent magnet is Hc 0 ,
The radial displacement of the rotor x, the intersection of the original circle of radius rf 8 when the outer diameter rf 8 and the circle and the circle of the radius rf 8 that the radius is the displacement x moves in the radial direction Rotate at the intersection of a circle having an angle at the rotation center α 1 and a radius of the outer diameter rr 8 and a circle of the radius rr 8 and the original radius rr 8 when the circle of the radius rr 8 is moved by the displacement x in the radial direction. When the angle at the center is α 2 , the rotational angle around the thrust axis is θ, the number of radial thrust bearings is m, the number of radial bearings is n, and the number of magnetic dampers is k, (Equation 1 )
整することを特徴とする請求項1記載の磁気軸受装置。 It said electromagnetic by varying the current applied to the Ishinomaki Line, bearing rigidity, the magnetic bearing device according to claim 1 Symbol mounting and adjusting the damping characteristics.
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