WO1986001862A1 - Controlled radial magnetic bearing device - Google Patents

Description

明 細 書 制御式ラ ジア ル磁気軸受装置 技術分野

こ の発明は 磁気軸受装置、 特に制御式 ラ ジ ア ル 磁気軸受装置に関する。

背景技術

前記制御式ラ ジア ル磁気軸受装置は既に公知であ る。 か ゝ る磁気軸受装置は、 非接触式で機械的摩擦 がないと い う 利点か ら ミ リ ン グス ピ ン ド ル等の輊負 荷髙速回転の工作機械用軸受に多用 されてお り 、 制 御さ れた電磁力 によって回転軸をその半径方向の一 定位置に保持する こ とができ る。

こ の種 の磁気軸受装置は _k 一般に電磁力 によ て 回転軸を半径方向に軸受支持する ため回転軸の外周 上に適宜の間隔で配置 した電磁石と 回転軸の半径 方向の位置を検出するための位置セ ン サ と 該位置 セ ン サ の出力に応 じて回転軸を半径方向所定位置に 保持するため該電磁石を制御する制御回路とを傭え ている。 該電磁石は一定電流の通電によって磁気軸受の主 磁束を発生するパイ ァ ス コ ィ ル と制御コ ィ ルか ら成 り 該位置セ ンサ と該制御コ イ ル と の間にはサーボ 回路が設け られ 回転軸が所定位置か らずれたこ と を位置セ ン サ が検知する と サーボ回路によ っ て回 転軸をその所定位置に戻すよ う な偏差信号が制御コ ィ ル に供給 され こ れに よ つ て回転軸を半径方向所 定位置に保持する 。

特に工作機械の主軸用 の軸受と してか 、 る ラ ジ ア ル磁気軸受を用いる場合、 切削時にカ ッ タ ーか ら生 'ずる外乱のため、 主軸がその固有振動数付近の振動 数 1 秒当 り の回転数 ） で振動 し 、 十分な切削力が 得られない と い う不都合があった。 そこで日 本国特 許出願昭和 5 8年第 1 2 2 7 5 3 号では こ のよ う な不都合を解決する ため主軸の固有振動数に対応 し た周波数帯域で制御回路にゲイ ン増加と位相進みを 与える こ と によ り この周波数帯での外乱の作用を減 衰させ.る ことを提案してお り このため従来の機械 に比して切削能力が飛躍的に増加する と い う成果が 得 られている 。 しか しなが ら 、 か る制御式ラ ジ ア ル磁気軸受を 用 いた場合 _k 回転軸の固有振動数帯域での回転にお ける外乱作用を効果的に減衰させる こ と はで き るが, 切削深さ等が大き い髙負荷切削時には主軸回転数の 2倍 ， 4倍等の整数倍の外乱周波数で主軸が振動す る ため、 これを電磁力で抑制 しょ う とする と制御電 力出力部の電圧飽和を引き起 し、 制御不能に陥る と い う問題があった。

そこで、 本発明の目 的は髙負荷時における 上記主 軸の振動に対 して無理な制御をする こ とを回避 し 安定 した制御特性を有する制御'式ラ ジ ア ル磁気軸受 装置を提供する にあ る。

さ らに、 本発明のも う 1 つの目的は前記髙負荷時 における 回転数の 2倍および 4倍の周波数成分の制 御出力を除去 し、 こ の よ う な周波数に対 しては軸の 慣性力によって得 られる剛性のみと し、 こ の よ う な 周波数によ る制御系の電圧飽和が生 じないよ う にす る こと によ り _fc 主と してこれよ り低い他の周波数に 対する制御機能を保持する こ と のでき る制御式ラ ジ ア ル磁気軸受装置を提供する にあ る 0 発明の開示

本発明によ る と 電磁力によって回転軸を半径方 向に軸受支持する ため回転軸の外周上に適宜の間隔 で配置 した電磁石 と、 回転軸の半径方向の位置を検 出するための位置セ ン サ と _k 該位置セ ン サ の出力 に 応答 して回転軸を半径方向所定位置に保持する ため 該電磁石を制御する制御回路とを備えた制御式ラ ジ ア ル磁気軸受装置において 回転軸の回転数の 2倍 _fc ある いは 2倍および 4倍の周波数を中心周波数とす る帯域消去フ ィ ル タ を該制御回路に揷入 した こ とを 特徵とする制御式ラ ジア ル磁気軸受装置を提供する。

こ の よ う に構成された本発明の磁気軸受装置では、 工作機械の主軸等と して用 い られる回転軸が髙負荷. 時に回転数の 2倍及び 4倍の周波数で振動 し、 その 振動を位置セ ンサ によ り検出する と 該帯域消去フ ィ ノレタ は制御回路においてこれ ら振動に起因する制 御出力の周波数成分を除去 し、 電磁石への制御電力 出力部の電圧飽和を防 ぐ。 .

このよ う な帯域消去フ ィ ルタ を有し ない制御回路 により制御される従来の磁気軸受装置を用 いたェ作 機械の主軸は 無負荷回転時には第 2 図 a に示すよ う に回転数に等 しい周波数 f n で振動 し、 切削等に よ る髙負荷回転時には第 2 図 b に示すよ う に、 回転 数の 2 倍の周波数 及び 4倍の周波数 の振動 成分を含む振動をする こ とが、 位置セ ン サ出力の阛 波数分析によって知られている。 この場合、 これ ら 特定の周波数で制御系の出力部の電圧飽和が生 じ る こ とがあ るが、 本発明では制御回路に周波数 f a n又 は £ a n と £ ⁴ ηを中心周波数とする帯域消去フ ィ ル タ を備えているか ら これ ら周波数成分によ る制御零 力出力部の電圧飽和は防止さ れる 。 この場合 周波 数 £ η の振動成分も勿論存在する が、 ピー ク 値の変 化が他の周波数の振動に比 して小さ く 、 制御'回路の 制御電力出力部の電圧のゲイ ン も低いため こ の周 波数出力で電圧鉋和を引き起すこ と はない。

本発明の他の特徵 ， 目 的 ， 及び利点については添 付図を参照 して説明する以下の実施例についての記 述によ り 明 らかと なるであろ う。

図面の簡単な説明

笫 1 図はこの発明の制御式ラ ジアル磁気軸受装置 の一実施例の構成を示すブ ロ ッ ク 図である。 - 第 2 図 a 及び b は従来の磁気軸受の半径方向の周 期性変位の周波数分析結果の一例を示す波形図であ る O

発明を実施する ための最良の形態

第 1 図について説明する と 工作機械の主軸等に 用い られる回転軸 1 は、 その.軸線に直角な平面内で 互いに直交する X — ， Y —両 tt方向に配置さ れた X 軸用電磁石 2 X及び Y軸用電磁石 2 Yを有する ラ ジ ア ル磁気軸受 2 に よって半径方向に磁気軸受けさ れ _fc モー タ 3 に よ って矢印 B の方向に回転する。 符号 4 は回転軸 1 の軸方向 z 方向 ） の変位を阻止する た めのス ラ ス ト磁気軸受である。 該磁気軸受 2は、 通 常回転軸 1 の端部近傍等、 軸方向適宜の位置に 2 つ 以上用 い られる 。

X —軸及び Y —軸上には X軸用位置セ ン サ 5 X及 び Y軸用位置セ ン サ 5 Y が 12置さ れており _fc 回転軸 1 の基準位置に対する X —軸及び 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 。 これ ら 電磁石 2 X及び 2 Y はそれぞれ電磁力を増滅する た め の制御卷線 6 X及び 6 Υを有 し こ れ ら の制御巻 線の励磁電流はそれぞれ後述する X軸用制御回路 7 X及び Υ軸用制御回路 7 Υ によって制御さ れる。 こ れ ら X軸用及び Υ軸用制御回路は回転軸 1 の下端部 の ラ ジ アル磁気軸受に も全 く 同様に備え られている _c 該 X軸用制御回路 7 X は、 回転軸 1 の X軸方向基 準位置を示す一定の基準電圧 Vox と X軸用位置セ ン サ 5 X の出力 と の差を表わす偏差信号 を増幅す る偏差信号増幅器 8 と 、 こ の偏差信号増幅器 8の 出 力を受けて制御系の位相進み又は遅れを補儻する位 債回路 9 と 後述する 回転数検出手段 1 2の出 力に従って位相補償回路 9の出力信号よ り 回転数の 2倍及び 4倍の周波数の成分を除去する可変帯域消 去フ ィ ル タ 1 0 と _k その出力を増幅する電力増幅器 1 1 とか ら成る。 従って、 上記周波数成分は該消去 フ ィ ル タ 1 0 によって除去されて _k 電力増幅器 1 1 の電圧鉋和が阻止される 。

上記回転数検出手段 1 2は _k 回転軸 1 の回転数に 応 じた出力を発生し _fc こ の出力に従って該消去ブ イ ル タ 1 0が上記特定周波数成分を除去する よ う に設 け られているが、 こ の場合該消去フ ィ ル タ 1 0は回 転軸 1 の所定負荷時の最髙回転速度の約 0. 7 倍の回 転速度 n₀ 回転 Z秒 ：） か ら作動させ人 それ以下の回 転数では中心周波数を 2 n₀に固定する のが望ま しい。 これは、 該消去フ ィ ル タ 1 0を n₀以下の回転数で作 動させる と 、 固有振動成分に対する減衰効果が減殺 されるか らであ る

産業上の利用可能性

1上説明 したよ う に の発明の制御式ラ ジア ル 磁気軸受装置によれば、 工作機械主軸等の髙負荷回 転時において も、 制御電力出力部の電圧飽和が生 じ る な く 、 比較的低い電源電圧を用いて安定な制 御特性を得る こ とができ _k 従って種々 の産業機械の 主軸等に広 く 利用する こ とができ る 。

Claims

請求の範囲

1. 電磁力によって回転軸を半径方向に軸受支持す る ため回転軸の外周上に適宜間隔で配置さ れた電 磁石 と 、 回転軸の半径方向の位置を検出する ため の位置セ ン サ と 該位置セ ン サ の出力に応 じて回 転軸を半径方向所定位置に保持する ため該電磁石 を制御する制御回路を備えた制御式ラ ジ ア ル磁気 軸受装置において、 回転軸の回転数を検出する た め の回転数検出手段と 該検出手段によ って検出 された回転数の 2倍の周波数ある いは 2倍及び 4 倍の周波数を中心周波数とする帯域消丟フ ィ ル タ を上記制御回路に揷入 したこ とを特徵とする制御 式ラ ジ ア ル磁気軸受装置。

2. 前記制御回路が、 回転軸の X軸方向基準位置を 示す一定の基準電圧 Vox と X軸用位置セ ンサ の出 力 との差を表わす偏差信号 を増幅する偏差信 号増幅器と こ の偏差信号増幅器の出力を受けて 制御系の位相進み又は遅れを補僙する位相補償回 路と 前記回転数検出手段によって検出 さ れる回 転軸の回転数の 2倍ある いは 2倍及び 4倍の周波 数を中心周波数とする帯域消去フ ィ ル タ と 、 そ の 出力を増幅する電力増幅器とを備えてい る こ とを 特徵 とする請求の範囲第 1 項に記載の磁気軸受装 3. 前記帯域消去フ ィ ル タ が前記回転数検出手段の 出力に応動 して中心周波数が変化する可変帯域消 去フ ィ ル タ であ る こ とを特徵とする請求の範囲第

1 項又は第 2項に記載の磁気軸受装置。

4. 前記帯域消去フ ィ ル タ は回転軸の所定負荷時の 最髙回転速度の約 0. 7 倍の回転速度 n₀ ( 回転/秒

：) か ら作動させ、 それ以下の回転数では中心周波 数を 2 n₀に固定する こ とを特徵とする請求の範囲 第 1 項乃至第 3項のいずれかに記載の磁気軸受装