JPS6166541A - 制御式ラジアル磁気軸受装置 - Google Patents

制御式ラジアル磁気軸受装置

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JPS6166541A
JPS6166541A JP18874684A JP18874684A JPS6166541A JP S6166541 A JPS6166541 A JP S6166541A JP 18874684 A JP18874684 A JP 18874684A JP 18874684 A JP18874684 A JP 18874684A JP S6166541 A JPS6166541 A JP S6166541A
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Tsuguto Nakaseki
嗣人 中関
Shoji Furuhashi
古橋 昌治
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NTN Toyo Bearing Co Ltd
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    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00Bearings not otherwise provided for
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    • F16C32/044Active magnetic bearings
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、磁気軸受装置に関し、特に制御式ラジアル
磁気軸受装置に関するものである。
〔従来の技術〕
近年、致方rpmというような高速で回転する工作機械
のスピンドル用の軸受として制御式磁気軸受が使用され
始めている。これらの磁気軸受のうちスピンドル等の回
転軸体をその半径方向に軸受支持するための制御式ラジ
アル磁気軸受は、一般に、回転軸体の軸線に直角なXY
平面のX軸側およびY軸用の2組の電磁石とこれらの各
軸方向における回転軸体の位置を検出するための位置セ
ンサとからなり、各他方向における回転軸体の位置制御
は各位fiTセンサで回転軸体の変位をそれぞれ検出し
、これらの各変位を示す信号値と°設定基準値との偏差
を増幅し、位相補償した後電力増幅することによりX軸
周およびY軸用の各電磁石の電磁力を制御することによ
って行なわれている。
X、Y各組の各電磁石は回転軸体の軸心に対して対称な
位置に配置されており、通常、バイアス磁束を与えるた
めのバイアスコイルと、軸体ノ変位に対して磁束を制御
するための制御コイルを備えている。また、一般に、コ
イルに流れる電流iと電磁吸引力Fとの関係はF=に+
i2で表わされるが、たとえばX軸周電磁石の2つの電
磁石A、B(図参照)のバイアスコイルに一定のバイア
ス電流iBを流して電磁石A、Bが軸体を互いに引き合
うようにした場合、制御コイルを流れる制御電流iC、
バイアス電流iBと電磁石−軸体間の軸受力Fとの関係
は一次近似で次式■で与えられる。
F→K (iB+1C)2−K(iB−1C)2=4K
iBiC・・・叩・曲■従って、バイアス電流iBが一
定であれば、軸受力Fと制御電流iCとの間に線形の関
係が得られるため、この関係を用いて制御コイルによる
軸体の位置制御が行なわれている。なお、軸受力Fが上
式■て表わされるのは、電磁石A、Bのバイアスコイル
が一定のバイアス電流iBで軸体を互いに逆向きに引き
合うよう励磁されるのに対し、制御電流iCによって電
磁石A側の制御コイルがその吸引力を強める向きに励磁
される時には、電磁石B側の制御コイルは電磁石Bの吸
引力を弱める向きに励磁されるようになっているからで
ある。
〔発明が解決しようとする問題点〕
上記のような従来の制御式ラジアル磁気軸受において、
最大軸受力すなわち最大負荷容量Fmaxは電磁石の磁
束密度が飽和するコイルの電流値、すなわちバイアス電
流iBと制御電流iCの和iB+icによって決定され
る。今、iB+ic=工のとき磁束飽和が生じるものと
すると、上式■よりF≦K(I−(iB−iC)2)で
あるから、iC= iB =+Iのとき軸受力Fはその
最大値Fmax=KJ になる。そのため、磁気軸受に
おいては、この最大負荷窓fi Fmax=に工2 が
得られるよう、バイアス磁束密度が飽和磁束密度の約2
分の1となる値にバイアス電流iBを固定することが行
なわれているが、工作機械スピンドルの空転時、あるい
は切削時でも切込量が小さい場合等、最大負荷容量に対
して小さい負荷しかかかつていない時にもこのように比
較的大きいバイアス磁束 を固定的に回転軸体に作用さ
せることは無駄であり、その分ヒステリシス損、渦電流
損等の鉄損を増大させ、回転軸体の発熱の原因となる。
特に高速回転するスピンドル等の場合は、この発熱は無
視できず、大容量の強制空冷装置によって冷却しなけれ
ばならない。
この発明は上記のような事情に鑑みなされたもので、そ
の目的は工作機械スピンドルに取付けられた工具の切込
量の変化等による外部負荷の変動に応動して負荷容量を
変化させ、低負荷時には小負荷容量、高負荷時には大負
荷容量とすることにより低負荷時の回転軸体の発熱を低
(抑えることができるようにした制御式ラジアル磁気軸
受装置を提供することにある。
〔問題点を解決するための手段〕
上記の問題点を解決するために、この発明はバイアス磁
束を発生するバイアスコイルおよび回転軸体に作用する
磁束をその半径方向の変位に応動して制御するための制
御コイルをそれぞれ有して互いに回転軸体の軸心に対し
対称状に配置された電磁石対をなす複数組の電磁石と、
回転軸体の半径方向の位置を検出するための各電磁石対
毎に備えられた位置センサと、位置センサの出力に応じ
て電磁石対の制御コイル電流を制御する制御回路とから
なる制御式ラジアル磁気軸受装置において、上記バイア
ス磁束を回転軸体の半径方向における軸受負荷の変動に
応じて制御するためのバイアス磁束制御手段を備えたこ
とを特徴とする制御式ラジアル磁気軸受装置を提供する
ものである。
〔作 用〕
上記の溝成゛を有するこの発明の制御式ラジアル磁気軸
受装置において、各電磁石対のバイアスコイルは回転軸
体を互いに等しい電磁吸引力で逆向きに引張るバイアス
磁束を発生し、制御コイルは位置センサの出力に応じて
電磁石対の一方の電磁石の吸引力を強め、他方の電磁石
の吸引力を弱めるような磁束を発生することにより回転
軸体の偏心を最少限に抑える機能を有する。
バイアス磁束制御手段は、回転軸体に加わる外部負荷に
応じてバイアス電流すなわちバイアス磁束を加減するこ
とにより、必要以上のバイアス磁束が回転軸体に作用す
るのを防ぐ。たとえば、工作機械スピンドルの空転時あ
るいは軽切削時等、回転軸体に加わる外部負荷が小さい
時は、磁気軸受の負荷容量も小さくて済むので、バイア
ス制御手段はバイアス磁束を弱め、外部負荷が増大した
時にのみ、その程度に応じてバイアス電流を増加させて
磁気軸受の負荷容量を大きくする。
〔実施例〕
以下、この発明の制御式ラジアル磁気軸受装置の一実施
例について図面を参照しつつ詳細に説明する。
図示実施例において、工作機械のスピンドル1はその軸
線に直角なXY平市内において互いに90度の角をなし
て配置されたX軸周電磁石対2xおよびY軸周電磁石対
2Yを存するラジアル磁気軸受2によって半径方向に軸
受けされ、モータ3によって矢印Pの方向に回転する。
図中、符号4はNスピンドル1の軸方向(Z方向)の変
位を阻止するためのスラスト軸受である。なお、ラジア
ル磁気軸受2は、通常、スピンドル1の端部近傍等、軸
方向適宜の位置に2つ以上備えられる。
上記磁気軸受2が配置された平面のX軸上およびY軸上
には、スピンドル1の基僧位のに対するX軸方向および
Y軸方向の変位を検出し、変位量に応じた出力を発生す
るX軸周位置センサ5XおよびY軸周位置センサ5Yが
それぞれ配置されている。以下、Y軸周電磁石対2Yは
X軸出電磁石対2Xと描成および作用が全く同様である
ため、X軸出電磁石対2Xについてのみ詳細に説明する
X軸出電磁石対2Xの各電磁石AおよびBはスピンドル
1の所定の回転軸心に対して互いに対称に配置され、そ
れぞれスピンドル1を逆向きに引き合う電磁吸引力を及
ぼすバイアスコイル6Aおよび6Bと、スピンドル1の
変位に応動してこれに作用する磁束を加減する制御コイ
ル7Aおよび7Bを有する。これらのバイアスコイル6
Aと6Bおよび制御コイル7Aと7Bはそれぞれ互いに
直列に接続されており、バイアスコイル6 A+ 6 
Bはスピンドル1を互いに逆向きで等しい強さの磁束を
作用させて引き合うが、制御コイル7A 、 7Bは互
いに同じ向きの磁場を作り出して、たとえば制御コイル
7Aがバイアスコイル6Aの磁束を強める向きに作用す
る時、制御コイル7Bはバイアスコイル6Bの磁束を弱
める向きに作用する。
上記の制御コイルの制御電流iCは制御回路8によって
制御される。この制御回路8は、スピンドル1のX軸方
向の所定の基準位置を示す一定の基準電圧を供給する基
準電圧発生器9、位置センサ5Xの出力と上記基準電圧
との差を増幅する偏差増幅器10、制御系の位相進みま
たは遅れを補償するための位相補償回路11、および位
相補償回路11の出力に応じて制御電流iCを制御コイ
ル7Aの動作に必要なレベルに増幅するための電力増幅
器12で楢成されている。
他方、切込み深さの大小等、スピンドル1の外部負荷状
態はその変位として現われるので、位置センサ5Xによ
って検出することができ、従って偏差増幅器10の出力
、あるいはこれと比例関係にある位相補償回路11の出
力、さらには制御電流iCはスピンドル1の外部負荷状
態をも表わし、外部負荷が大きくなれば制御電流iCも
増加する。
このような外部負荷の変化に応じてラジアル磁気軸受2
の負荷器(?1を加減するために、図示実施例において
は、位相補償回路11の出力を時定数が数ヘルツ(数1
00ミリ秒)の積分器13に供給し、その出力電圧VC
によってバイアスコイル5A。
6Bを励磁する定電流直流電源装置14の出力電流、す
なわちバイアス電流iBを制御するようになっている。
このようにして、スピンドル1の軽負荷時にはバイアス
電流iBを小さくしてバイアス磁束を弱めることにより
磁気軸受の負荷B 、qは小さくなり、外部負荷が増大
した時にのみ、その程度に応じてバイアス電流iBが増
加し、負荷容量が太き(なる。なお、定電流直流電源装
置14の出力電流は積分器13の出力電圧VCのみによ
って変化し、入力電源電圧等の′φ動によっては変°化
しfjい。
上記実施例において、バイアス電流rBが増加すると、
制御電流iCから軸受力への伝達ゲインが増加するため
、閉ループ制御系統の閉ループ伝達関数のクロスオーバ
ー周波数が高周波数側へ移動し、その結果系の安定性が
損なわれる場合があるが、このような場合は、制御系に
積分器13の出力VC信号値を除算するための除算器を
付加することによって閉ループ系のゲイン変化を押える
ようにしてもよい。また、積分器13の出力、すなわち
定電流直流電源装置14の制御電圧VCはY動用電磁石
2Yのバイアス電流制御にも共通に使用することが望ま
しい。この場合、積分器13の入力は、Y動用電磁石2
Yの制御回路(図示せず)から得てもよく、あるいはX
、Y各軸の制御回路の出力を平均したものを入力するよ
うにしてもよい。
〔発明の効果〕
以上、詳細に説明したように、この発明によれば、工作
機械スピンドル等の外部負荷に応動して負荷容債を加減
することによりスピンドルの発熱を低(抑えることがで
きるとともにエネルギー消費の低減か再(iヒな制御式
ラジアル磁気軸受装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
図はこの発明の制御式ラジアル磁気軸受装置の一実施例
の斜視図で、制御系統はブロック図で示X軸用電磁石対
、2Y・・・Y軸用電磁石対、5X・・・X軸用位置セ
ンサ、5Y・・・Y軸出位置センサ、A 、 Is・・
・電磁G、6A、6B・・・バイアスコイル、7A、7
11・・・制御コイル、8・・・制御回路、13・・・
積分器、14・・・定電流直流電源装置。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)バイアス磁束を発生するバイアスコイルおよび回
    転軸体に作用する磁束をその半径方向の変位に応動して
    制御するための制御コイルをそれぞれ有して互いに回転
    軸体の軸心に対し対称状に配置された電磁石対をなす複
    数組の電磁石と、回転軸体の半径方向の位置を検出する
    ための各電磁石対毎に備えられた位置センサと、位置セ
    ンサの出力に応じて対応する電磁石対の制御コイル電流
    を制御する各電磁石対毎に備えられた制御回路とからな
    る制御式ラジアル磁気軸受装置において、上記バイアス
    磁束を回転軸体の半径方向における軸受負荷の変動に応
    動して制御するためのバイアス磁束制御手段を備えたこ
    とを特徴とする制御式ラジアル磁気軸受装置。
  2. (2)前記バイアス磁束制御手段が前記制御回路におけ
    る制御コイル電流のパラメータを検出する検出手段と、
    この検出手段の出力によりバイアスコイルの定電流直流
    電源装置の出力電流を制御する手段とよりなる特許請求
    の範囲第1項記載の制御式ラジアル磁気軸受装置。
JP18874684A 1984-09-08 1984-09-08 制御式ラジアル磁気軸受装置 Granted JPS6166541A (ja)

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