磁気軸受における高剛性化の研究

磁気軸受における高剛性化の研究

著者 原 外満

雑誌名 博士学位論文要旨 論文内容の要旨および論文審査

結果の要旨／金沢大学大学院自然科学研究科

巻 平成10年6月

ページ 63‑67

発行年 1998‑06‑01

URL http://hdl.handle.net/2297/16118

原外満 氏名

生年月日 本籍 学位の種類 学位記番号 学位授与の日付 学位授与の要件

富山県 博士（工学）

博甲第229号 平成9年９月30曰

課程博士（学位規則第4条第１項）

磁気軸受における高剛性化の研究 学位授与の題目

(主査）松村文夫

(副査）佐藤秀紀，岩田佳雄，山田外史，藤田政之 論文審査委員

学位論文要旨

TbimproveStiffnessonActiveMagneticBearings[A､ＭＢ],themoreimportantltemsareasfbllow・

LQuickresponseoftheElectro-MagnetAtructiveForce ２．SensorStagestabilitylorvibrationshield

aTheParfectSurfaceoftheSensortarget,otherwize，

roughnesscancellerandroundnesscancellerisnecessary

Atthelstitem,thereasonofslowresponseisthegenerationofeddycurrentinthecorematerial、

Tbavoidthisproblem，twomethodsareexaminediExchangetheCoreMaterial，andAdaptingflux localfbedback・Theseshowgoodresponserespectivｅｌｙａｂｏｕｔ４－５ｔｉｍｅｓ・

Ｔｈｅ２ｎｄｉｔｅｍｉｓｄｕｅｔｏｔｈｅｃｏｕｐｌｉｎｇｂｅtweenpositionsensorandelectro-magnet，Thereactionofthe

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andrubbersheetisefYectiveOfcourse,thisisnotperfect,though,thesystembecomesstableenough

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oftheshapeThesettinganglesamongthreesensorsareverynarrowtogethighordercompornent

Thesenewtechnologyoperategood,andhighstifInesscanbegottonhigherthanlOkgf/似、,ａｎｄ

widecontrolablefrequencyrange,ＤＣ-1kHz．

磁気軸受は、従来の軸受には無い優れた特徴により特殊な用途に幅広く使用されている。近

年、工作機械の回転軸に適用され始めているが、適用例はまだ少数である。

工作機械の回転軸には、高速回転、高剛性、高い回転精度が要求される。工具で主に鉄を主体

－６３－

にした材料を加工するには、数kgf〃ｍの岡Ｉ性が要求されるが、現在の磁気軸受はこの剛性を

剛性を上げるということは、制御系の負帰還利得を増大させることである。負帰還利得を増 大させると、系は不安定になり易く、ある程度以上の高い利得設定はできない。この原因を中 規模スピンドルの試作機（回転軸長さ300ｍｍ、質量10kg程度）で明らかにすることを試みる。

従来機の安定制御領域は約DO200Hz、動剛性最小値0.3kgfノリｍである。このテスト機の特徴は タッチダウンベアリングを使用せず、空気軸受で軸を浮上させている。このために、電磁石は浮 上力を発生する必要がなく、コイル電流の非線形性に煩わされることがない。さらに、空気さえ 供給すればいつでも０．１匹、以下の繰り返し精度で同じ位置に浮上するために、制御器の利得

を非常に高くすることができる。

不安定になる第一の理由は、電磁石の応答性が十分高くないことである。特に吸引力の応答

性は、コイル電流の応答性に比較して数分の１である。この差は、コア内に発生する渦電流で

ある。したがって、コイルの巻き数を減らすという対処は十分な効果を発揮できない。従来、回 転軸に嵌め込む磁性材料は十分な検討がなされ、機械的にも電気的・磁気的にも最良の材料が

困難性もあり、比較的厚みのある薄板鉄板が用いられる６鉄損では、回転側に比べて固定側は非 常に小さい。しかし、制御性という点から見るとコイル電流に対する力の遅れは、本質的に望

この解決策の一つとして、電磁石コアの材質をフェライトに変更した。スラスト固定側、スラ スト回転側、ラジアル固定側、ラジアル回転側をすべてフェライトに改造した。ただし、全く同 一の寸法にはできない。これらの電磁石で磁気軸受を構成し、性能、特に剛性を測定し、単純

確認した。しかしフェライトコアの短所は、最大磁束密度が鉄材に比較して１／３であること、

割れやすいことがあげられる。

次に電磁石の力の応答を速める第二の手段として、局所的磁束密度負帰還を試みた。薄板鉄 板であっても、磁束密度負帰還は良い効果を発揮し、吸引力の応答性は数倍向上した。渦電流は 磁束の変化を緩慢にするが、それ以上の急勾配電流変化を局所負帰還が作り出していることに

なる。したがって高い周波数の連続運転は渦電流損失を増加させる。

次の図に、電磁石空隙内の磁束密度の周波数応答を示す６コイルにバイアス電流を適度に流し

ておけば、吸引力と磁束密度は比例すると見なせる。左側はフェライトコア、右側は珪素鋼板コ

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－６４－

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系が不安定になる第二の理由は、機械構造の共振にあることは、よく知られている。振動モ ードによって、腹と節の位置が変化するため、センサ・電磁石の効果的な位置が固定できない。

低次のモードならば、制御系の応答性を高めることで、安定で負帰還利得の高い制御系を実現

しかし、センサの支持の仕方によって、制御力の反作用が伝播してくる場合は、低次の振動モ ードであっても系が不安定になり易いことが判った。二つのパラメータ：反作用の伝播係数αと

、センサ支持台の振動減衰率入とによって安定性を判定することができる。この二つが決まれ

剛性を上げることができる。本研究において、センサ支持台の質量を極めて重くし、振動遮断 材を挟むことによって、系は非常に安定にすることができた。これにともなって、制御器の利得

を十分増大させ、剛性向上を図る゜

この二つの対処によって、従来はラジアル方向においては、0.3kgf〃ｍ以上の剛性では不安 定になった系が、１３kgf/“ｍの剛性でも安定な浮上を実現している。制御可能周波数範囲も、従 来のＤＣ-200Hzから、本方式のＤＣ-1kHzと広くなっている。系の仕様的短所はダイナミックレン ジが狭くなったことである。これには、制御器を最初から設計し直さなければならない。

次に、このように剛性が上がってくると、センサターゲットの形状が問題になる。磁気軸受は

、センサターゲットの表面位置を基準にして位置制御を施す系である。つまり、系は回転軸を表 面形状になぞらせるために、形状が完全な円で無い場合は反って回転精度を悪くする。

この不都合を回避するには、一旦センサターゲットの形状を測定し、そのデータをセンサ信号 から差し引く必要がある。そのために、３点法による真円度測定器の機能を取り付ける。３点 法は、回転軸の回転中心が変位しながら回転する場合でも正確にセンサターゲットの形状を求

めることができる。

従来の３点法の適用例では、１２次高調波成分までのデータ取得が多い。本研究においては、

表面の小さな凹凸までも問題になるため、２５６次の高調波成分まで求めている。（外周１周に付

き〃×２７Tの正弦波を、山成分と表現する)。このような高次成分を算出するには、１２次のデータ

の測定である。

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ＲＴＨ (c)本試験機（３点法）

Fig2MeasurementoftheRoundness

－６５－

計算時間は数年前の計算機では数分を要したが、現在は0.05秒以下である。またＡ/Ｄ変換器 の変換時間は５“ecであり、2048スリットエンコーダで4000rpmまでデータ取得が可能である。

以上の３種の対策を施すことにより、大変剛性を上げることができた。寸法、その他はほぼ同 一条件として、従来の対策以前のシステム性能は、0.3kgf/“ｍであった。これ以上の負帰還利

現在のシステムは,13kgf/似ｍである。約40倍の向上が得られた。これ以上はやはり不安定に

なるが、その理由は、電磁石の応答性もさる事ながら、センサの周波数応答も（特にノイズを 減らす必要上、L.P.Ｆ（ローパスフイルタ、低域通過フィルタ）を入れざるを得ず、その周波数が 10kHzとなっている）問題になってくる。現段階ではこのように電子回路特性に起因する原因で 剛性アップのネックになっている。懸念される制御反作用遮断機能は、センサ支持台の質量を寿 十分大きくとれば問題は少ないと考えられる。次の図はフェライトコアの電磁石においてセン サ支持台の振動遮断を十分施した場合の剛性の周波数特性である。１kHzまで、回転軸を位置制

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３点法の真円度測定部分は、大変実用上重要な働きを発揮している。このキャンセル回路によ り、スピンドルは非常に静かに回転する。この回路をはずした状態では、この剛性では非常に大

く設計されている｡）

次の図にこのスピンドルの回転精度を示すｂ左の図は多孔質空気軸受の回転精度であり、右図 は磁気軸受による位置負帰還を施した場合である。両方ともセンサターゲットの形状データを 差し引いてある。剛性は13kgf/“ｍである。２０ｎｍｐｐの回転誤差がl0nmp-p以下に縮小されて いる。回転誤差の主な周波数は800-1kHzに存在し、この誤差を縮小するためにこのような高剛

性と帯域幅の広い制御が必要とされる。

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学位論文審査結果の要旨

平成9年７月２３曰に第１回学位論文審査委員会を開催し，提出された学位論文および関係資料につい て検討を加え，同８月１１曰の口頭発表後，第２回学位論文審査委員会において協議の結果，以下の通

り判定した。

回転体を支持する軸受には，従来からの転がり軸受，空気軸受に加え，近年，磁気軸受も研究開発 され，一部の分野で実用化が進みつつある。本論文では，機械加工用高速回転機に磁気軸受を使用す る場合，当面急がねばならない重要な技術的事項は，(1)転がり軸受並みの強い剛性を得ること，(2)回 転精度の正しい評価をすること，であるとして研究に取り組んでいる。

電磁石に流れるうず電流に起因する磁束の遅れの問題，回転子側電磁石の強度の問題，センサター ゲットの真円度の問題，センサ支持台の振動の問題等が高剛性，高精度を得る場合に特に影響がある と指摘し，解析・検討を行ない，それらの問題の解決法を提案している。

最後に，それらの方法に基づき高精度スピンドルを設計・製作し，性能試験を行い，有効性を確認

している。

本研究の成果は，今後，磁気軸受を高精度超高速機械加工の分野に使用して行く場合に，極めて有

益なものである。

以上の内容を総合して本論文は博士（工学）の学位を受けるに値するものと判定する。

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