JPH09504856A - スピンドル、特に、繊維スピンドルを取り付け、駆動する装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 環状スピンドル（１０）を取り付け、駆動する装置は、前記管（１０）の第１の端部および第２の端部にそれぞれ設けられた第１および第２の軸磁束ラジアルアクティブ軸受（６０、７０）を備える。間に電動モータ（８０）が配設されたラジアルアクティブ軸受（６０、７０）の各々は、それぞれ管（１０）の周囲に配置された４つの軸磁束スロット無し相互接触要素からなる２つの部分組立体（６１、６２；７１、７２）を備える。スピンドル内部のラジアル磁気軸受（６０、７０）および電動モータ（８０）の空気ギャップに、百分の数パスカルのオーダから千分の数パスカルの減少された圧力を生成する手段をも備える。

Description

【発明の詳細な説明】 スピンドル、特に、繊維スピンドルを取り付け、駆動する装置 本発明は、第１および第２のラジアル軸受によりフレームに対して取り付けら れ、電動モータにより回転される管を備える、繊維スピンドルを取り付け、駆動 する装置に関する。高速での回転が要求される種々の型式のスピンドル、特に、 紡績用繊維スピンドルが知られている。かかるスピンドルの一例として、ハウジ ング内部のフレームに所定のクリアランスをもって取り付けられることにより、 ハウジングの壁と接触することなく回転することが可能な、内径が３０mm〜４０ mmのオーダである鉛直の管を備えるものがある。管の頂部は、ボール軸受等の従 前の軸受に取り付けられた小径部により延長され、電動モータにより回転される 。スプール状に形成されるべき糸は管に挿入される。糸は管内部で、管の内壁に 向かう遠心力により駆動され、糸のスプールが管内で形成される。次に、このス プールは底部の開口を介して管から取り出される。管はモータにより、例えば、 約３００回転毎秒（ｒｐｓ）の回転速度で回転される。 転がり軸受に基づく機械式サスペンションに装着され、片持ち式に取り付けら れた、かかる型式のスピンドルの回転は不安定であるため、遠心効果が攪乱され 、装置の寿命が低下することになる。更に、スピンドルの寸法およびその回転速 度は用いられる機械式サスペンションにより制限されるため、生産能力および速 度は低下する。 本発明は、上記した問題点を改善し、スピンドル等の回転管状部材を、信頼性 、寿命、および、生産能力が向上するように装着することを目的とする。 本発明の別の目的は、遠心効果に対する攪乱が最小であり、空力的摩擦損失も また大幅に減少されたスピンドル取付け台を提供することである。 これらの目的は、第１および第２のラジアル軸受によりフレームに対して取り 付けられ、電動モータにより回転される管を備える、繊維スピンドルを取り付け 、駆動する装置であって、 管が、管の第１の端部および第２の端部にそれぞれ配設された第１および第２ の軸磁束ラジアルアクティブ磁気軸受により、ケーシングの形をしたフレームに 対して接触することなく取り付けられ、 各ラジアルアクティブ磁気軸受は、管の周囲に配置された４つの軸磁束スロッ ト無し相互接触要素よりなるステータ磁気回路を備え、 スピンドル内部のラジアル磁気軸受および電動モータの空気ギャップに、数百 パスカルから数千パスカルのオーダの減少された圧力を生成する手段を備えるこ とを特徴とする装置により達成される。 アクティブ磁気サスペンションを用いることにより、管とフレームとの間に機 械的接触が生じないため、本発明のスピンドルの信頼性および寿命は向上されて いる。ラジアル磁気軸受および電動モータの空気ギャップに生成される吸引力は 、例えば約８００ｒｐｓから１，０００ｒｐｓの高回転速度であっても、空力的 摩擦損失を大きく減少させるのに寄与する。 中実、すなわち、薄層化されていない管状ロータを用いているにもかかわらず 、互いに接触する多数のスロット無し要素からなる軸磁束ステータ磁気回路を用 いているため、ラジアル磁気軸受と共に作動するロータの電磁気的損失は非常に 小さい。 組み立てを簡単化する特に有利な特徴によれば、ラジアルアクティブ磁気軸受 の４つの相互接触要素を備えるステータ磁気回路の各々は、それぞれが４つの相 互接触要素を備える２つの部分組立体よりなり、該部分組立体はラジアル結合面 で結合され、クランプあるいはクリップにより一体に保持される。 かかる型式の組立体は、全体として、装置を簡素化し、装置の製造コストを低 減するのに寄与する。 好ましくは、ラジアルアクティブ磁気軸受のステータ磁気回路は、 高温平衡プレスにより固められた絶縁された粒子からなる鉄粉より形成されてい る。 一実施例において、第１および第２のラジアルアクティブ磁気軸受の少なくと も一方は、４つの相互接触要素の第１の部分組立体に対して非対称な第２の部分 組立体を有するステータ磁気回路を備え、これにより、管の水平フランジと協動 してアキシャル軸受としても機能する。 ラジアル磁気軸受および電動モータの空気ギャップでの減少された圧力は１３ ００パスカルのオーダである。この圧力は、最初の組み立ての際に付与すること としてもよいし、あるいは、低速真空ポンプにより動作中には常に維持すること としてもよい。 本発明のスピンドルは、その端部の少なくとも一方に設けられ、フレキシブル 膜によりスピンドルのケーシングに固定された浮動シールリングを備えてもよい 。 この場合、浮動リングは、グラファイト、セラミック、あるいは、アモルファ スダイヤモンド状カーボン（ＡＤＬＣ）等のカーボンであってもよく、緊急の際 の軸受を構成するように、百分の数ミリメータに制限された径方向での曲げスト ロークを有してもよい。 本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照した、本発明の非制限的な 例として示した実施例についての以下の説明から明らかとなる。 図１は本発明のスピンドルを取り付け、駆動する装置の一実施例の軸方向断面 図である。 図２は本発明の一実施例のラジアルアクティブ磁気軸受を構成する一組の電磁 石を通るラジアル結合面での断面図である。 図３および図４はそれぞれ、図２の直線III-IIIおよびIV-IVに沿って切断した 際の断面図である。 図５は、本発明に適用可能な、アキシャル磁気軸受としても機能するラジアル アクティブ磁気軸受の変形例を示す軸方向断面詳細図 である。 図１は、好ましいことに垂直に配置された、紡績用繊維スピンドル等のスピン ドルを取り付け、駆動する本発明に係わる装置の一実施例を示す。 外側ケーシング５０は、ケーシング５０内に組み込まれる要素の組み付けを容 易とするために分離された端壁５１および５３、および、複数の並置された円筒 要素５２、５４、および５５から構成されている。 金属管１０は、頂部ラジアルアクティブ磁気軸受６０および底部ラジアルアク ティブ磁気軸受７０により、ケーシング５０の内部にケーシング５０に接触しな いように取り付けられている。金属管の長さは例えば約２００ｍｍであり、内径 は約３０〜５０ｍｍである。ラジアルアクティブ磁気軸受６０および７０につい ては、後に詳述する。 電動モータ８０はラジアル磁気軸受６０および７０の間に配設されている。電 動モータ８０は中実ロータと、巻線８２を備えるステータインダクタ８１とを有 する非同期型モータである。管１０の外側表面の、管１０を回転させるために設 けられた電動モータ８０に対向する部位は、滑りに起因する損失を低減するため 、好ましくは銅の薄膜８４に覆われるか、あるいは、縦溝８３が備えられている 。しかしながら、管２０は中実のまま、即ち、ラジアル磁気軸受６０および７０ に対向して配置される頂部および底部に特別な薄層は設けられないままである。 フレキシブル印刷回路３０はケーシング５０の中央部５５近傍に配設されてい る。モータ８０の巻線８２、ラジアル軸受６０、７０のコイル６４、７４、およ び、ロータ１０の位置検出用検出器６６、７６への給電用配線（図示せず）との 接続は、すべて、フレキシブル印刷回路３０を介して行われる。フレキシブル印 刷回路３０は、モータ８０および磁気軸受６０および７０を制御する外部回路を 接 続するコネクタをも備えている。 好ましいことに、管１０を回転させ、サスペンション支持する種々の要素は、 被覆成形（overmolding）によりケーシング５０内に一体化され、管１０に対し て正確に規定された位置を占める。 動作中には、回転スピンドルを構成する管１０は約８００ｒｐｓから１，００ ０ｒｐｓの速度で回転することができる。アクティブ磁気軸受６０および７０、 および、電動モータ８０は、管１０をかかる速度で回転させるのに完全に適合さ れている。しかしながら、通常の動作条件では、即ち、約１バールの大気圧の下 では、スピンドルが内径約４０ｍｍから５０ｍｍの管を備える場合には、磁気軸 受６０および７０、およびモータ８０の空気ギャップでの空力的損失は約２００ ワットから約４００ワットの範囲にあるため、装置の正常な動作が阻害されるこ とがある。 本発明によれば、上記問題点を改善するため、回転機械内部の大気圧は数百パ スカルから数千パスカルの範囲、例えば、約１３００パスカルに減少される。こ の結果、磁気軸受およびモータの空気ギャップでの空力的摩擦による損失は相当 に減少される。そして、装置は高回転速度でも非常に良好に回転することができ 、優れた効率が達成される。 管１０と、被覆成形により保持された静止要素との間の空気ギャップでの減少 された圧力は、スピンドルを作動させる最初の段階で設定することとしてもよい し、あるいは、スピンドルに応じた非常に低い定格のポンプにより、動作中には 常に維持することとしてもよい。 ロータ１０の出口部での良好なシールは、浮動リング２１あるいは２２により 得られる。リング２１、２２はロータ１０の周りの空気軸受効果により中央に位 置決めされ、フレキシブル膜によりケーシング５０の端壁を構成する端部部品５ １に固定されている。リング２１あるいは２２の何れか一方に類似する浮動軸受 を、フレキシ ブル膜によりケーシングの底部端部部品５３に保持してもよい。 図１の上部の２つの半分視に示す如く、スピンドルの空気ギャップの圧力を低 く保つ浮動シールリングは、必要とされるシールの型式に応じて、軸方向に柔軟 性を有するように取り付けられてもよいし（リング２２）、径方向に柔軟性を有 するように取り付けられてもよい（リング２１）。リング２１のように径方向に 柔軟性を有する浮動リングは、一般には、大気圧に起因する荷重を排除するのに 適している。 更に、リング２１のような浮動シールリングは、少なくともその一部がカーボ ンやグラファイトの族から選択された材料から形成されれば、円滑な補助軸受と しても機能することができる。更に、円滑な補助軸受として機能する浮動リング に、セラミックやダイヤモンド状アモルファスカーボン（ＡＤＬＣ）から形成さ れた接触面を備えることもできる。シールリングとしての機能と、緊急の軸受と しての機能とを適切に果たすため、浮動リングは、百分の数ミリメータに制限さ れた曲げストロークを有し、約０．１０ｍｍから０．１５ｍｍの変位で正の押し 付け力を発生するように構成されている。これにより、浮動リングはアクティブ 磁気サスペンションが失陥あるいは停止した場合に、非常用の軸受として機能す る。非常用の軸受としても機能するシールリングを柔軟に固定することは、接触 が生じた場合の振動を減衰させるのにも寄与することになる。 以下、動作を最適化する構成を有すると共に、組み立てが特に容易で、スピン ドルの生産を容易とするアクティブ磁気軸受の実施例について、より詳細に説明 する。 ラジアル磁気軸受６０、７０は、強磁性材料から構成された管１０の中実壁と 直接的に共同して動作する。ラジアル磁気軸受６０、７０は、磁場の変動を最小 にするような形状を有するステータを備えている。ラジアル軸受６０および７０ のステータの電磁石は同極型である。即ち、この電磁石は軸方向の磁束を発生さ せる。好まし いことに、ラジアル磁気軸受６０、７０は、ラジアル平面内にある結合面６３お よび７３にそれぞれ存在し、互いに押圧する２つの部位６１、６２、または、７ １、７２からなる電磁石ヨークを備えている。クランプ６５またはクリップ７５ は、互いに押圧された各ヨークの２つの半体６１、６２、または、７１、７２を 保持している。コイル６４または７４を予め製作し、２つの部位６１および６２ 、または、７１および７２を組み立てる前にコイル６４または７４を第１のヨー ク部６１または７０の周囲に装着することは容易である。 電磁石６１、６２、および、７１、７２を、平衡プレスにより固められた絶縁 された粒子からなる鉄粉により形成することで、機械加工を行うことなく正確な 寸法に形成することができる。 図２〜図４に示す重要な特徴によれば、各ラジアル磁気軸受６０、７０のステ ータは、４つの互いに接触する軸磁束要素１０１〜１０４により、これら４つの 要素の間にスロットを設けることなく構成されている。かかる構成は、スピンド ルが鉛直に配置された場合には、ロータに磁気損失が生ずるのを防止し、スピン ドルが水平に配置された場合には、かかる損失を相当に減少させるのに寄与する 。 図２は、中央通路の周囲に配置されたラジアル軸受の電磁石の４つの相互接触 要素１０１〜１０４を示す。中央通路には、磁気軸受のロータを構成する管１０ が係合し、中央通路を介して、磁力線が循環されている。図３および図４に、図 ２の右側の要素１０１および１０２をより詳細に示す。４つの要素１０１〜１０ ４は何れも、それぞれ、コイル１１４、１２４、１３４、および１４４を備えて いる。これらのコイルは互いに同一である。 要素１０１は、平行な２つの側枝１１１および１１２を備えるＵ字型構造を有 している。側枝１１１および１１２はそれぞれ４分の１の環状であり、弓形の枝 部１１３と共にそれぞれ対応するラジアル面に配設されている。枝部１１３は側 枝１１１および１１２を連 結し、その周囲にコイル１１４が配設されている。上述の如く、要素１０１等の 各要素が、ラジアル面に位置する結合面１１５で接触する２つの別々の部位から 構成されるならば、組み立てが容易とされる。弓形の枝部１１３を更に、それぞ れ枝部１１１および１１２に平行な平面に固定された２つの半体１１３ａおよび １１３ｂに分割することにより、磁気回路の２つの半体１１１、１１３ａを半体 １１２、１１３ｂにクリップする前に、予め形成されたコイル１１４を挿入する ことが容易とされている。 要素１０２は、要素１０１の構成部品１１１、１１２、１１３ａ、１１３ｂ、 １１４、および１１５と全く同一の構成部品１２１、１２２、１２３ａ、１２３ ｂ、１２４、および１２５を備えており、要素１０３および１０４もまた、同一 の構造を有している。要素１０１、１０２、１０３、および１０４は、交差構造 を占める軸方向平面１１０、１２０、および１３０内で互いに接触している。管 １０の周囲に配置された種々の腎臓型ステータコイル１１４、１２４、１３４、 および１４４は、これらコイルの間に、電磁石の２つの半体をクリップ６５、７ ５（図１）により互いにクリップすることを可能とする小さな空間を残しつつ、 径方向の磁場の一回転にわたる変化を減少させるような形状を有している。 ラジアルアクティブ磁気軸受６０、７０は、ステータの電磁石とロータ１０と の間の空気ギャップの変化を検出する手段を用いる従前の方法で取り付けられる 。一例として、図１は、ラジアル軸受６０、７０の近傍に配設されたラジアル検 出器６６、７６を示している。 検出器６６、７６は非常に多岐にわたる方法で実現することができ、１周の周 りに連続的な極を備える円錐型であってもよいし、あるいは、隣接する電動モー タ８０からの干渉に対する感度を小さくするため、軸受の電磁石のように（軸方 向の磁束を有する）同極型であってもよい。検出器６６、７６は、ロータに薄層 の束を設ける ことなく、５０ｋＨｚ以下という低いキャリア周波数を用いて、中実のロータ１ ０に対して反発しながら直接的に動作する。特に、検出器６６および７６もまた 、好ましいことに、平衡プレスにより固められた絶縁された粒子からなる鉄粉か ら形成される。 ロータ１０の磁気軸受６０、７０に対する相対位置を検出する他の公知の手段 を用いてもよい。 １つまたは２つ以上のアキシャルアクティブ磁気軸受を用い、ロータ１０をフ レームに対して軸方向に保持してもよい。 図１において、管１０は、その底端部に、ラジアル軸受７０の電磁石の底部７ ２の自由端７７と共同するフランジ１７を備えるものとしている。この結果、磁 気軸受７０は管１０に対するアキシャル軸受としても機能する。アキシャル検出 器９０は、磁気軸受７０のコイル７４と同心状に、管１０と対向するように配設 されている。アキシャル検出器９０は、管１０の壁に同じ高さに配設されたイン サート９６と共同するステータ要素９４、９５を備えてもよい。 図５は、磁気軸受７０の電磁石の底部７２が、管１０の自由端１８と共同する 円錐ポール部材７８を構成する別の実施例を示す。管１０の自由端１８は軸受が 径方向にも軸方向にも機能するように円錐形を有している。図５は、頂部リング ２２に類似する浮動シールリング２３をも示している。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 第１および第２のラジアル軸受（６０、７０）によりフレーム（５０）に 対して取り付けられ、電動モータ（８０）により回転される管（１０）よりなり 、スピンドル、特に、繊維スピンドルを取り付け、駆動する装置であって、 前記管（１０）が、前記管（１０）の第１の端部および第２の端部にそれぞれ 配設された第１および第２の軸磁束ラジアルアクティブ磁気軸受（６０、７０） により、ケーシングの形をした前記フレーム（５０）に対して接触することなく 取り付けられ、前記電動モータ（８０）は前記２つのラジアルアクティブ軸受（ ６０、７０）の間に配設され、 前記ラジアルアクティブ磁気軸受（６０、７０）の各々は、前記管（１０）の 周囲に配置された４つの軸磁束スロット無し相互接触要素（１０１〜１０４）よ りなるステータ磁気回路を備え、 前記スピンドル内部の前記ラジアル磁気軸受（６０、７０）および前記電動モ ータ（８０）の空気ギャップに、数百パスカルから数千パスカルのオーダの減少 された圧力を生成する手段を備えたことを特徴とする装置。 ２． 前記ラジアルアクティブ磁気軸受（６０、７０）の前記４つの相互接触要 素（１０１〜１０４）を備える各ステータ磁気回路は、それぞれが４つの相互接 触要素を備える２つの部分組立体（６１、６２；７１、７２）からなり、該部分 組立体はラジアル結合面（６３；７３）内で結合され、クランプまたはクリップ （６５；７５）により一体に保持されることを特徴とする請求項１記載の装置。 ３． 前記ラジアルアクティブ磁気軸受（６０；７０）の前記ステータ磁気回路 は、高温平衡プレスにより固められた絶縁された粒 子からなる鉄粉から形成されたことを特徴とする請求項１または２記載の装置。 ４． 前記第１および第２のラジアルアクティブ磁気軸受（７０）のうち少なく とも一方は、４つの相互接触要素の前記第１の部分組立体（７１）に対して非対 称な４つの相互接触要素の第２の部分組立体（７２）を有するステータ磁気回路 を備えることにより、前記管（１０）の水平フランジ（１７）と協動するアキシ ャル軸受としても機能することを特徴とする請求項２記載の装置。 ５． 前記ラジアル磁気軸受（６０；７０）および前記電動モータ（８０）の前 記空気ギャップでの前記減少された圧力は１，３００パスカルのオーダであるこ とを特徴とする請求項１乃至４のうち何れか１項記載の装置。 ６． 前記ラジアル磁気軸受（６０；７０）および前記電動モータ（８０）の前 記空気ギャップでの前記減少された圧力は、組み立て中に設定されることを特徴 とする請求項１乃至５のうち何れか１項記載の装置。 ７． 前記ラジアル磁気軸受（６０；７０）および前記電動モータ（８０）の前 記空気ギャップでの前記減少された圧力は、低定格の真空ポンプにより、動作中 には常に維持されることを特徴とする請求項１乃至５のうち何れか１項記載の装 置。 ８． 該装置の端部の少なくとも一方に設けられ、前記スピンドルに柔軟膜によ り固定された浮動シールリングを備えることを特徴とする請求項１乃至７のうち 何れか１項記載の装置。 ９． 該装置の端部の少なくとも一方に設けられ、前記スピンドルに柔軟膜によ り固定されると共に、グラファイト、セラミック、あるいは、アモルファスダイ ヤモンド状カーボンＡＤＬＣ等のカーボンからなり、百分の数ミリメータに制限 された径方向の曲げストロークを有することにより非常用の軸受をも構成する浮 動シールリングを備えることを特徴とする請求項１乃至７のうち何れか１項記載 の装置。 １０． 前記電動モータ（８０）の外側のリング状の前記ケーシング（５０）に 固定されたフレキシブル印刷回路（３０）に少なくともその一部が配設された、 前記アクティブ磁気軸受（６０、７０）用制御回路および前記電動モータ（８０ ）用制御回路を備えることを特徴とする請求項１乃至９のうち何れか１項記載の 装置。 １１． 高温平衡プレスにより固められた絶縁された粒子からなる鉄粉により構 成され、前記管（１０）の中実の壁部との反発により直接的に共同動作するラジ アル検出器及びアキシャル検出器（６６、７６；９０）を備えることを特徴とす る請求項１乃至１０のうち何れか１項記載の装置。 １２． 前記管（１０）と前記外側ケーシング（５０）との間に配設された要素 は全体的に被覆成形（overmolding）されたことを特徴とする請求項１乃至１１ のうち何れか１項記載の装置。