KR100538310B1 - spindle - Google Patents

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KR100538310B1
KR100538310B1 KR10-2003-0069338A KR20030069338A KR100538310B1 KR 100538310 B1 KR100538310 B1 KR 100538310B1 KR 20030069338 A KR20030069338 A KR 20030069338A KR 100538310 B1 KR100538310 B1 KR 100538310B1
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박종권
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Abstract

본 발명은 콘형 자기베어링을 이용한 모터내장형 스핀들(spindle)장치에 관한 것이다.The present invention relates to a motor built-in spindle device using a cone-shaped magnetic bearing.

종래에는 자기베어링으로 주축을 지지하기 위하여는 앞/뒤 자기베어링 뿐만 아니라 축방향 자기베어링과 같은 3개의 자기베어링이 필요하므로 충분한 공간 확보를 위해서는 상대적으로 크기를 크게 제작하므로써 설계 및 제작비가 과다하게 소요되는 단점이 있다.Conventionally, three magnetic bearings, such as axial magnetic bearings as well as front and rear magnetic bearings, are required to support the main shaft with magnetic bearings. There is a disadvantage.

본 발명에서는 주축에 조립되는 앞/뒤 자기베어링(50,60)의 회전자(51,61) 자극면(511,531)과 고정자(53,63)의 자극면(531,631)이 축방향으로 동일한 경사기울기를 갖는 콘형으로 설계하여 각각의 베어링들이 반경방향 뿐만아니라 축방향으로도 주축을 지지해줄 수 있도록 하여 단지 2개의 베어링으로 주축을 5축으로 지지해줄 수 있도록 구조를 개선한 것이다.In the present invention, the inclined slope of the rotor 51 and 61 magnetic pole surfaces 511 and 531 of the front and rear magnetic bearings 50 and 60 and the magnetic pole surfaces 531 and 631 of the stators 53 and 63 are axially equal to each other. Designed to have a cone shape, each bearing can support the main axis not only in the radial direction but also in the axial direction, thereby improving the structure so that only two bearings can support the main axis in five axes.

이처럼 본 발명은 콘형 자기베어링을 사용하여 종래의 축방향 자기베어링을 포함한 5축 자기베어링 주축 스핀들 보다 구조가 간단하고 동급 용량에 비하여 크기를 감소시켜 주는 효과를 발휘한다.As such, the present invention is simpler in structure than the 5-axis magnetic bearing spindle spindle including the axial magnetic bearing using a cone-shaped magnetic bearing, and has the effect of reducing the size compared to the equivalent capacity.

Description

콘형 자기베어링을 이용한 모터내장형 스핀들장치{spindle}  Motor-mounted spindle device using cone type magnetic bearings {spindle}

본 발명은 콘형 자기베어링을 이용한 모터내장형 스핀들(spindle)장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공작기계에 사용되는 모터내장형 스핀들장치의 가공 주축 제어가 콘형 자기베어링만으로 반경방향은 물론 축방향 제어도 병행할 수 있게 하여 주축시스템의 구조를 단순화 및 동급 용량 보다 크기를 줄임으로써 설계/제작 비용 등을 절감시킬 수 있도록 한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a motor-mounted spindle device using a cone-shaped magnetic bearing. More specifically, the machining spindle control of a motor-mounted spindle device used in a machine tool is performed in parallel to the radial direction as well as the axial control only by the cone-type magnetic bearing. By simplifying the structure of the spindle system and reducing its size than its equivalent capacity, the design / manufacture cost can be reduced.

종래의 모터내장형 스핀들장치는 도 1에 나타낸 바와 같이 본체(10)와, 상기 본체(10)에 내장되는 회전자(21)와 고정자(23)에 의해 회전력을 발생시키도록 구성된 모터(20)와, 상기 모터(20) 기동시 발생되는 열을 식히는 냉각수가 순환되는 유로(31) 및 냉각수자켓(33)이 구비되는 냉각장치(30)와, 상기 모터(20)의 회전자(21)에 조립되어 모터(20)의 전자기력에 의해 회전 운동하는 주축(40)과, 상기 주축(40)의 양단부에 조립되어 주축(40)을 자기 부양시키는 자기베어링(50,60)과, 상기 주축(40)의 일측단부에 축방향 제어를 위해 조립되는 또 다른 축방향 자기베어링(70,71)과, 상기 주축(40)의 양쪽 선단으로 직교되게 설치되어 반경방향의 회전 변위를 검출하여 자기베어링(50,60)을 제어하는 반경방향 센서(80a,80b)와 주축(40)의 축방향 변위를 검출하는 축방향 센서(80c)를 포함하는 구성으로 되어 있다.The conventional motor-embedded spindle device includes a main body 10, a motor 20 configured to generate rotational force by the rotor 21 and the stator 23 embedded in the main body 10, as shown in FIG. In addition, the cooling device 30 is provided with a flow path 31 and a cooling water jacket 33 through which a coolant circulates to cool the heat generated when starting the motor 20, and assembled to the rotor 21 of the motor 20. And the main shaft 40 which is rotated by the electromagnetic force of the motor 20, the magnetic bearings 50 and 60 which are assembled at both ends of the main shaft 40 to self-suspend the main shaft 40, and the main shaft 40. Another axial magnetic bearing (70, 71) assembled at one end of the axial control and the orthogonal to both ends of the main shaft 40 is installed to detect the rotational displacement in the radial direction magnetic bearing (50, The radial sensors 80a and 80b for controlling 60 and the axial sensors 80c for detecting the axial displacement of the main shaft 40. It has a structure that also.

이처럼 종래의 스핀들장치는 주축(40)에 반경방향 제어를 위한 자기베어링(50,60)외에 별도의 축방향 자기베어링(70)등과 같은 모두 3개의 자기베어링이 함께 사용되므로써 상기 축방향 자기베어링(70)을 장착할 수 있는 충분한 공간 확보를 위해서는 본체(10)의 크기를 크게 제작하게 됨으로써 설계 및 제작비가 과다하게 소요되는 단점이 있다.As such, the conventional spindle device uses the three axial magnetic bearings such as a separate axial magnetic bearing 70 and the like in addition to the magnetic bearings 50 and 60 for radial control on the main shaft 40. In order to secure sufficient space for mounting 70, the size of the main body 10 is made large, resulting in an excessive design and manufacturing cost.

이에 본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 스핀들장치가 안고 있는 제반 문제점을 해소하고자 발명된 것으로, 본 발명의 목적은 주축을 지지함과 동시에 회전운동을 제어하는 자기베어링의 구조 개선으로 별도의 축방향제어를 위한 별도의 축방향 자기베어링을 이용하지 아니하고서도 축방향 제어도 가능하게 하고, 윤활도 필요없으며, 마찰 손실이 적어 고속회전 가능하고, 베어링의 수명 또한 크게 연장시킬 수 있는 스핀들장치를 제공함에 있는 것이다. Therefore, the present invention was invented to solve all the problems of the conventional spindle device as described above, the object of the present invention is to improve the structure of the magnetic bearing to control the rotational movement while supporting the main axis in a separate axial direction To provide a spindle device that enables axial control without the need for a separate axial magnetic bearing for control, no lubrication, low friction loss, and high speed rotation, and greatly extends the life of the bearing. It is.

또한 본 발명은 주축시스템의 구조가 기존의 5축 자기베어링 주축 스핀들장치 보다 구조가 간단하고, 동급 용량에 비하여 크기도 작게 줄임으로써 설계/제작비용 등을 절감시킬 수 있는 스핀들장치를 제공함에 또 다른 목적이 있는 것이다.In another aspect, the present invention provides a spindle device that the structure of the spindle system is simpler than the existing 5-axis magnetic bearing spindle spindle device, and can reduce the design / manufacturing cost by reducing the size compared to the equivalent capacity. There is a purpose.

상기한 바와 같은 목적 달성을 위해서, 본 발명에서는 본체와, 상기 본체에 내장되는 회전자와 고정자에 의해 회전력을 발생시키는 모터와, 상기 모터의 기동시 발생되는 열을 식히도록 냉각수가 순환되는 유로와 냉각수자켓이 구비되는 냉각장치와, 상기 모터의 회전자에 조립되어 회전 운동하는 주축과, 상기 주축의 양단부에 조립되어 주축을 자기 부양시키는 자기베어링과, 상기 주축의 회전 변위에 따라 자기베어링을 제어하는 센서가 구비되는 스핀들장치에 있어서, 상기 자기베어링의 회전자 자극면과 고정자 자극면이 동일 축방향으로 소정의 각도만큼 경사기울기를 갖는 콘타입으로 형성되어 상기 자기베어링의 자기력이 주축의 반경방향과 축방향으로 동시에 작용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 콘형 자기베어링을 이용한 모터 내장형 스핀들장치를 제공한다.In order to achieve the above object, in the present invention, the main body, a motor for generating a rotational force by a rotor and a stator embedded in the main body, a flow path through which the coolant is circulated to cool the heat generated when the motor is started; A cooling device having a cooling water jacket, a main shaft assembled and rotated by the rotor of the motor, a magnetic bearing assembled at both ends of the main shaft to self-suspend the main shaft, and controlling the magnetic bearing according to the rotational displacement of the main shaft. In the spindle device provided with a sensor, the rotor magnetic pole surface and the stator magnetic pole surface of the magnetic bearing is formed in a cone type having an inclined slope by a predetermined angle in the same axial direction so that the magnetic force of the magnetic bearing is in the radial direction of the main shaft Built-in motor using a cone-shaped magnetic bearing, characterized in that configured to act simultaneously in the axial direction Provides a spindle type device.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 구성 및 작용 효과를 첨부 도면에 의거하여 보다 상하게 하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the configuration and operation effects according to the preferred embodiment of the present invention will be described more visibly based on the accompanying drawings.

첨부도면 도 2는 본 발명이 적용된 스핀들장치를 설명하기 위한 단면도를 나타내고 있다.2 is a cross-sectional view illustrating a spindle device to which the present invention is applied.

도시된 바와 같이 본 발명은 본체(10)의 내측에는 회전자(21)와 고정자(23)로 구성되는 모터(20)가 내장되고, 상기 모터(20)의 회전자(21)에는 주축(40)이 관통되게 조립되어 상기 모터(20)의 회전력에 의해 주축(40)을 회전 운동시키도록 되어 있다.As shown, the present invention includes a motor 20 including a rotor 21 and a stator 23 inside the main body 10, and a main shaft 40 in the rotor 21 of the motor 20. ) Is assembled so as to penetrate the main shaft 40 by the rotational force of the motor 20.

상기 모터(20)의 고정자(23)에는 냉각수가 순환되는 유로(31) 및 냉각수자켓(33)이 구비되어 모터(20) 기동시 발생되는 열을 냉각수에 의해 냉각시키도록 되고 있다.The stator 23 of the motor 20 is provided with a flow path 31 and a coolant jacket 33 through which coolant is circulated to cool the heat generated when the motor 20 is started by the coolant.

그리고 모터(20)에 의해 회전하도록 된 주축(20)의 양단부에는 자기베어링(50,60)이 조립되고, 상기 자기베어링(50,60)은 각각 코일이 권선되는 한 쌍의 회전자(51,61)와 고정자(53,63)로 구성되고, 상기 회전자(51,61)는 주축(40)에 조립되고, 고정자(53,63)는 본체(10)에 고정되게 지지되어 상기 자기베어링(50,60)에 작용하는 전자기력에 의해 주축(40)이 공중에 부양된 상태로 회전 운동하도록 되어 있다.In addition, magnetic bearings 50 and 60 are assembled at both ends of the main shaft 20 to be rotated by the motor 20, and the magnetic bearings 50 and 60 are pairs of rotors 51, each of which coils are wound. 61 and the stators 53 and 63, the rotors 51 and 61 are assembled to the main shaft 40, and the stators 53 and 63 are fixed to the main body 10 so as to be fixed to the magnetic bearing ( The main shaft 40 is rotated by the electromagnetic force which acts on 50 and 60 in the state suspended in the air.

상기 주축(40)에 조립되는 자기베어링(50,60)의 회전자(51,61) 및 고정자(53,63)에 있어 이들이 서로 마주하는 대향면 즉, 도 3에 나타낸 바와 같이 회전자(51,61)의 자극면(511,611)과 고정자(53,63)의 자극면(531,631) 즉 서로 마주하는 각각의 자극면(511,611,531,631)이 축방향으로 동일한 기울기 각도만큼 경사면을 갖는 콘타입으로 형성하여 자기베어링(50,60)에서 작용하는 각각의 자기력이 주축(40)의 반경방향 뿐만 아니라 축방향으로도 동시에 작용할 수 있도록 한다.In the rotors 51 and 61 and the stators 53 and 63 of the magnetic bearings 50 and 60 assembled to the main shaft 40, the opposing surfaces of the rotors 51 and 61 facing each other, that is, the rotor 51 as shown in FIG. And magnetic pole surfaces 511,611 of 61, and magnetic pole surfaces 531,631 of stators 53,63, i.e., magnetic pole surfaces 511,611,531,631 facing each other, are formed in a cone type having an inclined surface with the same tilt angle in the axial direction. Each magnetic force acting on the bearings 50, 60 can act simultaneously in the axial direction as well as in the radial direction of the main shaft 40.

상기 자기베어링(50,60)은 주축(40)의 양단부에 서로 마주하도록 상반되는 위치에 각각 조립된다.The magnetic bearings 50 and 60 are assembled at opposite ends of the main shaft 40 so as to face each other.

주축(40)의 양쪽선단에는 주축(40)과 직교되게 각각의 센서(80a,80b)가 고정되고, 주축(40)의 한쪽 말단부에는 주축(40)과 동일 축방향으로 향하도록 하나의 센서(80c)가 고정 설치된다.또한, 도 4에서 알 수 있듯이, 상기 자기 베어링은 링형 1개의 자속 구조가 아닌 같은 용량의 8개의 극을 갖는 구조로 구성되어 있어 더 큰 용량을 얻을 수 있으며 더욱 큰 자력에 의해 샤프트의 회전정밀도를 높일 수 있다.Each sensor 80a, 80b is fixed to both ends of the main shaft 40 so as to be orthogonal to the main shaft 40, and one sensor of one end of the main shaft 40 faces the same axis direction as the main shaft 40. In addition, as can be seen from Fig. 4, the magnetic bearing is composed of eight poles of the same capacity instead of one ring-shaped magnetic flux structure, so that a larger capacity can be obtained and a larger magnetic force can be obtained. By this, the rotational accuracy of the shaft can be increased.

상기 센서(80a,80b,80c)들은 주축(40)의 반경방향과 축방향에 대한 회전 변위 즉, 주축의 5축 방향으로 움직이는 변위를 각각 검출하도록 되어 있다.The sensors 80a, 80b, and 80c are configured to detect rotational displacements in the radial and axial directions of the main shaft 40, that is, displacements moving in the 5-axis direction of the main shaft, respectively.

상기 센서(80a,80b,80c)는 자기베어링(50,60)의 자기력을 제어하도록 도시하지 않은 콘트롤러에 연결되어 주축(40)의 5축 방향으로 움직이는 변위를 검출하는 센서(80a,80b,80c)의 신호에 따라 콘트롤러(55,65)가 자기베어링(50,60)의 자기력을 제어할 수 있게 한다.The sensors 80a, 80b, and 80c are connected to a controller (not shown) to control the magnetic force of the magnetic bearings 50 and 60, and the sensors 80a, 80b and 80c which detect displacements moving in the 5-axis direction of the main shaft 40. Controller 55, 65 to control the magnetic force of the magnetic bearing (50, 60) according to the signal.

이와 같이 구성된 본 발명의 작용 효과를 설명하면 다음과 같다.Referring to the effects of the present invention configured as described above are as follows.

본 발명의 스핀들장치는 외부로부터 모터(20)에 전원이 공급되면, 모터(20)의 고정자(23)와 회전자(21) 사이에는 전자기력이 발생되어 주축(40)을 회전 운동시키는 회전력이 발생하게 된다. 이때, 주축(40)의 양단부를 지지하는 자기베어링(50,60)에도 동일하게 외부 전원이 공급되면 자기베어링(50,60)의 고정자(53,63)와 회전자(51,61) 사이에도 동일하게 전자기력이 작용하고, 이 전자기력에 의해 고정자(53,63)는 회전자(51,61)를 상부측으로 들어올리듯이 공중에 부양된 상태로 회전 운동을 하게 된다.In the spindle device of the present invention, when power is supplied from the outside to the motor 20, an electromagnetic force is generated between the stator 23 and the rotor 21 of the motor 20 to generate a rotational force for rotating the main shaft 40. Done. At this time, when external power is supplied to the magnetic bearings 50 and 60 that support both ends of the main shaft 40, the stator 53 and 63 and the rotors 51 and 61 of the magnetic bearings 50 and 60 are also supplied. Similarly, the electromagnetic force acts, and the stator 53, 63 causes the rotational movement in the state of being suspended in the air as if the rotors 51, 61 are lifted to the upper side.

한편, 자기베어링(50,60)에 있어 서로 상대되는 고정자(53,63)와 회전자(51,61)의 자극면(511,531,611,631)은 축방향으로 경사기울기를 갖는 경사면으로 구성되고 있어 이들 자극면(511,531,611,631)에는 주축의 반경방향과 축방향으로 동시에 자기력이 작용하게 된다.On the other hand, in the magnetic bearings 50 and 60, the stator 53 and 63 and the magnetic pole surfaces 511, 531, 611 and 631 of the rotors 51 and 61 are constituted by inclined surfaces having an inclined slope in the axial direction. The magnetic force is applied to (511,531,611,631) simultaneously in the radial direction and the axial direction of the main axis.

따라서 모터에 의해 회전하는 주축(40)은 반경방향과 축방향 제어가 동시에 이루어질 수 있는 것이다.Therefore, the main shaft 40 rotated by the motor can be made in the radial and axial control at the same time.

그러므로 종래의 스핀들장치처럼 주축의 반경방향을 제어하는 자기베어링외에 별도의 축방향 제어를 위한 축방향 자기베어링이 불필요하게 되어 이들 부품 삭제로 인해 구조가 간단하고 제작비도 절감되는 이점이 있다.Therefore, in addition to the magnetic bearing for controlling the radial direction of the main shaft as in the conventional spindle device, the axial magnetic bearing for the separate axial control is unnecessary, so the structure is simple and the manufacturing cost is reduced due to the removal of these components.

이처럼 본 발명의 콘형 자기베어링은 비접촉으로 주축을 공중에 부양시킨 채 회전 운동할 수 있도록 지지해주는 베어링 역할을 함으로써, 기존의 볼베어링 등의 접촉식 베어링과는 다르게 고속회전을 가능하게 하고 윤활이 필요없으며, 마찰손실이 적고 베어링의 수명도 길어지게 된다.As such, the cone-shaped magnetic bearing of the present invention serves as a bearing to support the rotatable movement while supporting the main shaft in the air in a non-contact manner, unlike the conventional bearings such as ball bearings to enable high-speed rotation and does not require lubrication. Therefore, friction loss is small and bearing life is long.

이상에서 설명한 바와같이 본 발명에 의하면, 주축의 양단부를 지지하는 자기베어링의 자극면을 경사면으로 형성하여 자기력이 반경방향 뿐만 아니라 축방향 베어링으로도 동시에 작용하게 하므로써 기존처럼 축방향 자기베어링을 별도로 설치하지 않아도 두개의 콘형 자기베어링으로 주축을 지지해줄 수 있게 되어 주축 시스템의 구조가 기존의 5축 자기베어링 주축 스핀들 시스템 보다 간단해지고, 동급 용량에 비하여 크기를 감소시켜며 설계/제작비를 절감시킬 수 있는 이점이 있다.As described above, according to the present invention, by installing the magnetic pole surface of the magnetic bearing supporting both ends of the main shaft to the inclined surface, the magnetic force acts simultaneously as the axial bearing as well as the radial direction, thereby separately installing the axial magnetic bearing as before. It is possible to support the spindle with two cone-shaped magnetic bearings, which makes the structure of the spindle system simpler than the existing 5-axis magnetic bearing spindle spindle system, which reduces the size and reduces the design / manufacturing cost compared to the equivalent capacity. There is an advantage.

또한, 주축의 주축의 5축 방향으로 움직이는 변위 검출을 위해 별도의 센서가 자기베어링의 자기력을 제어하는 콘트롤러에 연결되어 주축의 5축 방향으로 움직이는 변위를 검출하는 센서의 신호에 따라 콘트롤러가 자기베어링의 자기력을 제어하므로써 주축의 회전이 보다 안정적으로 이루어질 수 있는 등의 작용 효과를 갖는 매우 유용한 발명인 것이다.In addition, a separate sensor is connected to the controller that controls the magnetic force of the magnetic bearing to detect displacement moving in the 5-axis direction of the main shaft of the main shaft, so that the controller carries the magnetic bearing according to the signal of the sensor that detects the displacement moving in the 5-axis direction of the main shaft. It is a very useful invention having an effect such as the rotation of the main shaft can be made more stable by controlling the magnetic force of.

도1은 종래의 스핀들장치의 구성을 나타낸 단면도,1 is a cross-sectional view showing the configuration of a conventional spindle device;

도2는 본 발명에 의한 콘형 자기베어링을 이용한 모터내장형 스핀들장치의 구성을 나타낸 단면도,2 is a cross-sectional view showing the configuration of a motor-mounted spindle device using a cone-shaped magnetic bearing according to the present invention;

도3은 도2의 요부 상세도,도4는 도2에 의한 자기베이링의 구성을 나타내는 단면도.Fig. 3 is a detailed view of essential parts of Fig. 2, and Fig. 4 is a sectional view showing the structure of the magnetic bearing shown in Fig. 2;

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞<Description of the code | symbol about the principal part of drawing>

10: 본체 20: 모터10: main body 20: motor

21: 회전자 23: 고정자21: rotor 23: stator

31: 유로 33: 냉각수자켓31: Euro 33: Coolant Jacket

40: 주축 50,60: 자기베어링40: spindle 50, 60: magnetic bearing

70,71: 축방향 자기베어링 80a,80b: 반경방향 센서70, 71: axial magnetic bearing 80a, 80b: radial sensor

80c: 축방향 센서80c: axial sensor

Claims (1)

본체(10)와, 상기 본체(10)에 내장되는 회전자(21)와 고정자(23)에 의해 회전력을 발생시키는 모터(20)와, 상기 모터(20) 기동시 발생되는 열을 식히도록 냉각수가 순환되는 유로(31)와 냉각수자켓(33)이 구비되는 냉각장치(30)와, 상기 모터(20)의 회전자(21)에 조립되어 회전 운동하는 주축(40)과, 상기 주축(40)의 양단부에 조립되어 주축(40)을 자기 부양시키는 자기베어링(50,60)과, 상기 주축(40)의 회전 변위를 검출하는 센서(80a,80b,80c)가 구비되는 스핀들장치에 있어서,The main body 10, the motor 20 generating rotational force by the rotor 21 and the stator 23 embedded in the main body 10, and cooling water to cool the heat generated when the motor 20 is started. Cooling device 30 is provided with a flow path 31 and the cooling water jacket 33 is circulated, the main shaft 40 is assembled to the rotor 21 of the motor 20 and rotates, and the main shaft 40 In the spindle device is provided with a magnetic bearing (50, 60) for self-lifting the main shaft (40) and the sensors (80a, 80b, 80c) for detecting the rotational displacement of the main shaft (40), which are assembled at both ends of the 상기 자기베어링(50,60)의 회전자(51,61) 자극면(511,531)과 고정자(53,63)의 자극면(531,631)이 축방향으로 동일한 경사기울기를 갖는 콘타입으로 형성되어 상기 자기베어링(50,60)의 자기력이 주축(40)의 반경방향과 축방향으로 동시에 작용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 콘형 자기베어링을 이용한 모터 내장형 스핀들장치.The magnetic pole surfaces 511 and 531 of the rotors 51 and 61 of the magnetic bearings 50 and 60 and the magnetic pole surfaces 531 and 631 of the stators 53 and 63 are formed in a cone type having the same slope in the axial direction. Spindle device with a motor using a cone-shaped magnetic bearing, characterized in that the magnetic force of the bearing (50, 60) is configured to act simultaneously in the radial direction and the axial direction of the main shaft (40).
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