JPH04203523A - 磁気軸受スピンドル - Google Patents

磁気軸受スピンドル

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Publication number
JPH04203523A
JPH04203523A JP2331830A JP33183090A JPH04203523A JP H04203523 A JPH04203523 A JP H04203523A JP 2331830 A JP2331830 A JP 2331830A JP 33183090 A JP33183090 A JP 33183090A JP H04203523 A JPH04203523 A JP H04203523A
Authority
JP
Japan
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bearing
spindle
gap
protective
circuit
Prior art date
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Pending
Application number
JP2331830A
Other languages
English (en)
Inventor
Koji Iba
伊庭 剛二
Sotomitsu Hara
外満 原
Makoto Hamada
浜田 真
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nachi Fujikoshi Corp
Original Assignee
Nachi Fujikoshi Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Nachi Fujikoshi Corp filed Critical Nachi Fujikoshi Corp
Priority to JP2331830A priority Critical patent/JPH04203523A/ja
Publication of JPH04203523A publication Critical patent/JPH04203523A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F16C32/0406Magnetic bearings
    • F16C32/044Active magnetic bearings
    • F16C32/0442Active magnetic bearings with devices affected by abnormal, undesired or non-standard conditions such as shock-load, power outage, start-up or touchdown
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C33/00Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/02Parts of sliding-contact bearings
    • F16C33/04Brasses; Bushes; Linings
    • F16C33/043Sliding surface consisting mainly of ceramics, cermets or hard carbon, e.g. diamond like carbon [DLC]
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16C39/00Relieving load on bearings
    • F16C39/02Relieving load on bearings using mechanical means
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16C17/00Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement
    • F16C17/10Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement for both radial and axial load

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Sliding-Contact Bearings (AREA)
  • Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)

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) 本発明は、磁気軸受スピンドルにおいて保護ベアリング
を改良することにより、性能を向上させたものに関する
(従来の技術) 能動形磁気軸受には、制御装置の故障や過大な外乱なと
不慮の事故に対処するため、保護ベアリングが取付けら
れている。
保護ベアリングにはころがり軸受が採用されており、こ
のころがり軸受と軸との隙間は0.1m−ないし場合に
よっては1.0■鵬程度まで、軸受としては非常に広く
とられている。これはスピンドルとして成立させるため
には、不慮の事態には保護ベアリングのころがり軸受が
軸を支持できることと、通常の運転では軸が保護ベアリ
ングに接触することがないように、安全上の観点からほ
ぼこのような値になっている。
磁気軸受を構成する電磁石のロータとステータとの隙間
は、保護ベアリングが接触しても当たらないようにさら
に広くされている。
(発明が解決しようとする課題) 上述の従来技術のように広い隙間では、軸の位置を検出
するセンサの感度(増幅回路の電圧増幅度)を上げるこ
とができない、すなわち、このような広い隙間で制御回
路の増幅度を上げると、軸の位置が設定より少しでもず
れると増幅回路がすぐ飽和してしまい制御不能となるか
らである。
このため、軸の位置が隙間内の全領域を変化しても飽和
しない程度の増幅度までしか上げることができず、結果
的に軸受性能とくに軸受の精度、剛性を向上させること
ができない。このため、工作機械用スピンドルのように
主軸の精度、剛性を必要とする用途には不十分であった
本発明は、保護ベアリングの形式、構造および材質を改
善して許容隙間を可能な限り狭(し、それに伴って増幅
回路の感度を上げ、磁気軸受スピンドルの精度、剛性を
太き(向上させるものである。
(課題を解決するための手段) このため本発明は、特許請求の範囲に記載した磁気軸受
スピンドルを提供することにより従来技術の課題を解決
した。
(実施例) 第1図ないし第3図に本発明の一実施例を示す。
図において1はスピンドルの主軸、2は外筒、3は主軸
を駆動するモータ、4はスピンドルヘッド側のラジアル
磁気軸受、5はスピンドルテール側のラジアル磁気軸受
、6はスラスト磁気軸受、7および8は各ラジアル方向
の軸位置を検出するセンサ、9はスピンドルの前蓋、1
0は同じく後蓋を示している。
ここに使用される保護ベアリングは、ラジアル方向、ス
ラスト方向とも耐熱、耐摩耗の材質からなるセラミック
すべり軸受であり、主軸の高速回転中の接触にも耐えら
れるようになっている。
主軸1が前蓋9を貫通している個所には、その詳細を第
2図に示すようにスピンドルヘッド側の保護ベアリング
が設けられている。前蓋9にはセラミック製の保護ベア
リングステータ12が嵌合固着されており、これと対向
して主軸1にはセラミック製の保護ベアリングロータ1
1が嵌合固着されている。このスピンドルヘッド側はと
くに磁気ベアリングの剛性を高くする必要から、保護ベ
アリングにおけるロータ11とステータ12との隙間は
、10μmに設定されている。なお、13は保護ベアリ
ングの部分を覆う前カバーであり、14は主軸に嵌合さ
れてセンサターゲットとなるスリーブである。また、ス
ピンドルテール側の保護ベアリングはその詳細を第3図
に示す、外筒2の内径側にスラスト磁気軸受のステータ
に隣接して固定された取付リング15に、セラミック製
の保護ベアリングステータ16が嵌合固着され、止め輪
18で抜は止めされている。保護ベアリングステータ1
6に対向して主軸1にはセラミック製の保護ベアリング
ロータ17が嵌合固着されている。この保護ベアリング
ロータ17の内寄に隣接してスラストに対抗するセラミ
ック製カラー19が主軸に嵌合固着され、さらに、保護
ベアリングロータ17の端寄に隣接して逆方向のスラス
トに対抗するセラミック製カラー20が主軸に嵌合され
ていて、スラスト磁気軸受のロータディスク21を介し
て二重ナツト22により締結固定されている。なお、2
3はスラスト磁気軸受のステータである。このスピンド
ルテール側の保護ベアリングの各隙間は、ロータ17と
ステータ16の間、ステータ16とカラー19の間およ
びステータ16とカラー20の間はそれぞれ100μm
であり、スピンドルヘッド側の隙間に比べ大きくされて
いる。
制御回路は第4図に示すように一般的なPDI方式のフ
ィードバック制御であり、センサアンプから電流アンプ
までの全体の周波数特性は、比例回路P、微分回路D、
積分回路Iを適当な増幅率で加電すると第5図に示すよ
うな特性を得る。第5図において、■成分とP成分の交
点の周波数をf、、P成分とD成分の交点Uの周波数を
fl、D成分の上限の点Vの周波数をftとすると、P
成分は剛性を、D成分はダンピング(′$i衰)を与え
るものであるから、U点におけるダンピングを十分きか
せるためには、■点の周波数f2を普通U点の周波数を
f、の10倍程度のところに設定する。7点が高いとダ
ンピングはよくきくが回路全体がそれだけ不安定になる
。また、■点が低すぎるとダンピング効果が得られない
。このような特性をもつ制御回路にセンサと電磁石を接
続し、フィードバンクループを形成してスピンドル主軸
を能動的に保持するとき、系全体のブロック線図は第6
図のようになる。ここにSo 、Sr %  Szはそ
れぞれ第5図における周波数f。、f、、f。
に相等するラプラス空間における値である。このような
構成の能動形磁気スピンドルに外乱または回転誤差X′
が入力されたとき、系全体としてこのX′をゼロにする
ようにフィードバックが働くのであるが、完全にX′=
0になるわけではなく、いまXという値に収束したと仮
定すると、X /X′という値は第5図の周波数特性と
密接な関係があり、x/x’の周波数特性を、制御回路
全体の増幅度Kをro、 1、f2および質量Mに関連
させて適当に決めることによって、外乱補正量の周波数
特性を第7図のように設定することができる。すなわち
、V意思上の周波数では全く誤差を補正する能力はなく
、またtJ点においては誤差を1/10程度まで圧縮す
ることが可能なように設定するのである。従って、回転
精度1μmのスピンドルを実現するためには、まずセン
サターゲットの精度をlum程度としバランスを良(す
る。
これによって7点以上の周波数における誤差は1μmが
保証される。U点においては10μmまでの誤差が許さ
れるのであるから、タッチダウンベアリングとしての保
護ベアリングの隙間を10μmとする。保護ベアリング
の隙間を目標精度の10倍程度というのはこの理由によ
る。このとき、U点において保護ベアリングの隙間の範
囲内で主軸の位置を移動させてみて、回路がまだ飽和し
ていなければfo、f、、ftの値をもっと高いところ
に移動させ、逆に飽和してしまうようならfo、ft、
ftの値を低くして、Kの値を飽和点に達しない限界ま
で調整する。
本発明において、保護ベアリングの隙間を10μmにせ
ばめ、かつ制御回路の増幅度を主軸がこの10μmの範
囲内を変位しても飽和しない最大値に設定することによ
って剛性が格段に向上した。
第8図に従来の能動型磁気軸受と今回のものとの比較を
しめず。一般に磁気軸受の剛性は周波数特性をもつ。最
も重要なのは動剛性の最小値であり静剛性ではない、従
来のものでは動剛性の最小値は100gf/μmという
のがベストのデータであったが、本発明のものはIKg
f/μmをかるくこえる。
精度については低速回転での精度は格段に向上した。第
9図にリサージ二波形での本発明と従来のものとの比較
をしめす、ただ問題はセンサターゲットの精度が直接現
れて、高速回転では外筒の振動が大きくなる。これはま
た別の問題でありターゲットの加工精度向上等で対処す
べきものである。
(発明の効果) 本発明においては、磁気軸受スピンドルの保護ベアリン
グを耐熱・耐摩耗性のセラミック滑り軸受とするととも
に、主軸と保護ベアリングの隙間を目標精度の10倍程
度とし、かつ制御装置の増幅回路の感度を隙間内で主軸
をどの位置に変位させても回路が飽和しない最大値に設
定しているので、磁気軸受スピンドルの運転中の軸受隙
間を非常に狭く設定することが可能となり、それに伴っ
てスピンドル主軸の精度、剛性を格段に向上させること
ができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を示す縦断面図、第2図は第
1図の■部分の拡大図、第3図は第1図のm部分の拡大
図、第4図は制御回路の構成の概略図、第5図は制御回
路の増幅度の周波数特性を示すグラフ、第6図は系全体
のブロック図、第7図は系全体での誤差補正量の周波数
特性を示すグラフ、第8図は磁気軸受の剛性の周波数特
性について本発明と従来技術との比較を示すグラフ、第
9図はりサージュ波形の比較図である。 1・・・主軸、2・・・外筒、3・・・モータ、4.5
・・・ラジアル磁気軸受、6・・・スラスト磁気軸受、
7.8・・・センサ、11.17・・・保護ベアリング
ロータ、12.16・・・保護ベアリングステータ、1
9.20・・・保護ベアリングカラー。 代理人 弁理士  河 内 潤 二 第1図 第2図     第3図 第4図 第5図 Sa数[H2]−− 制御回路のMllll数 箱性図 第7図 llI2!数(Hzl − 外乱補正量の局波数特性 第8図 1       10       100     
  +KMJI数[Hzココ −気軸受の剛性のMa数時特 性9WJ 2 )rm /div         2 pm/d
iv(A)本発明による磁気軸受     (B)  
従来の磁気軸受リサージ二波形による回転精度

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 主軸を回転させるモータと、主軸を非接触で支持する能
    動形磁気軸受と、能動形磁気軸受における主軸の位置を
    制御する制御装置と、主軸の位置が制御不能となったと
    きに主軸に接触して支持する保護ベアリングを備えた磁
    気軸受スピンドルにおいて、保護ベアリングを耐熱・耐
    摩耗性のセラミック滑り軸受とするとともに、前記主軸
    と保護ベアリングの隙間を目標精度の10倍程度とし、
    かつ制御装置の増幅回路の感度を前記隙間内で主軸をど
    の位置に変位させても回路が飽和しない最大値に設定し
    たことを特徴とする磁気軸受スピンドル。
JP2331830A 1990-11-29 1990-11-29 磁気軸受スピンドル Pending JPH04203523A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007032443A1 (de) * 2007-07-10 2009-01-15 Voith Patent Gmbh Hybridlager und Verfahren zu dessen Herstellung
CN104806631A (zh) * 2015-03-01 2015-07-29 北京航空航天大学 一种用于磁悬浮高速旋转设备的径轴一体柔性保护轴承
WO2019034187A1 (en) * 2017-08-15 2019-02-21 Rieter Cz S.R.O. DEVICE FOR PROTECTING PARTS OF A WIRE ROTOR SYSTEM COMPRISING A MAGNETIC BEARING

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