KR100323327B1 - 회전체의진동억제장치 - Google Patents

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KR100323327B1
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이노마다 시게오
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Abstract

본 발명은 회전에 수반되는 고유진동을 대폭 감소시키는 것을 목적으로 하는 회전체의 진동억제장치에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 샤프트(1)에는 방사상으로 배치된 자극(111∼118)을 가지는 1차요크(11)가 취부되고, 이들 각 자극에는 코일(131∼138)이 각각 권선되고, 이들의 자극은 코일(131∼138)이 각각 직렬로 결선된다.
1차요크와 2차요크(12)와의 기준치에 대한 X, Y방향의 변위량이 센서(14x, 14y)에 의해 각각 검출되고, 이 변위량을 상쇄하도록 코일에 공급되는 전류치가 결정된다.

Description

회전체의 진동억제장치
본 발명은, 예를 들어 섬유용 기계의 고속전동기에 사용하기에 적합한 회전체의 진동억제장치에 관한 것이다.
종래의 일반적인 전동기, 특히 섬유기계에 사용되는 고속전동기의 구조에 대하여 제 7도를 참조하여 설명한다.
본 도에 도시한 전동기는 양단이 고정되어진 샤프트(1)에 대하여 대략 중공원통상의 로울러(2)가 회전하도록 하는 아웃터 로우터 모터이다. 로울러(2)는 그 양측면에 있어서 베어링(3)을 개재하여 사프트(1)에 대하여 회동이 자유롭게 취부되어 있다.
로울러(2)의 내주면에는 마그네트(4)를 개재하여 로타코아(5)가 취부되는 한편, 샤프트(1)에는 스테타코아(6)가 그 로타코아(4)에 대향하여 공간을 개재하여 고정되어 있다. 이 스테타코아(6)에는 샤프트(1)의 일단부에 설치된 중공부에 관통되는 케이블(7)의 전류공급에 의해 회전자계가 발생하도록 되어 있다.
즉, 이들 마그네트(4), 로타코아(5) 및 스테타코아(6)에 의해 유도동기 전동기가 구성되어(전동기로서는 유도전동기가 채용되는 경우도 있다) 로울러(2)가 샤프트(1)에 대하여 회전하도록 되어 있다. 그리하여 회전하는 로울러(2)의 외주면을, 예를 들어 실감기보빈에 압부하므로서 실을 권취하도록 구성되어 있다.
따라서, 이러한 구성에 의하면 회전하는 로울러(2)의 원주속도는 실의 권취속도와 대략 비례하게 된다.
한편, 최근에는 생산성 향상을 위해 실의 권취속도를 높게 하는 요구가 있고, 이 때문에 로울러(2)에는 높은 원주속도가 필요로 된다.
예를 들어 로울러(2)의 원주속도에는, 약 6,000(m/min) 정도가 필요로 된다. 이는 다음 2개의 어프로치(접근) 방법이 있다.
즉, ① 로울러(2)의 외경을 크게 한다. 혹은
② 로울러(2)의 회전수를 높게 한다.
라는 방법이 있다.
상기 ①의 방법에서는 로울러(2) 자체가 비대화한다는 문제 뿐만 아니라, 베어링(3)에 이 중량중가에 대응할 수 있는 정도가 요구되어진다는 문제가 고려되어진다.
그래서 종래에는 ②의 방법을 사용하고, 또한 샤프트(1)의 직경을 작게 하고, 이에 의해 최대하중이 작아지고, 또한 내경이 작은 베어링(3)을 사용하는 것이 가능하도록 하였다.
그러나, 샤프트(1)의 직경이 작게 됨에 따라 샤프트(1)에 발생하는 고유진동의 진동수가 저하하고, 당해 고유진동이 로울러(2)의 고유 회전수와 합치하여 상기 원주속도를 만족시키는 회전수 이하에서 발생한다는 문제가 있었다.
여기서 이 고유진동에 대해서 설명한다.
일반적으로 고유진동이란 그 구조물이 가지는 고유의 기계적 특성을 나타내는 것이고, 당해 조성물을 고유진동수로 여진(勵振)하면 공진현상이 발생하여, 당해 구조물을 굉장히 큰 진폭으로 진동한다.
제 8도에 샤프트(1)에 있어서의 고유진동과 그 진동모우드를 도시했다.
또한, 로울러(2)는 샤프트(1)에 비하면 대단히 큰 강성을 가지므로, 로울러 (2)의 고유진동수도 샤프트(1)에 비하면 대단히 높은 것이 된다.
따라서, 전동기 전체를 보면, 로울러(2)의 고유진동을 무시할 수가 있고, 샤프트(1)의 고유진동만에 대하여 고려할 수가 있다.
본 도에 도시한 바와 같이 샤프트(1)에는 로울러(2)의 회전 정지시에서는 당연히 진동이 전혀 발생하지 않는다.
그러나, 로울러(2)가 회전을 개시하면, 이 회전에 수반하는 진동에 의해 샤프트(1)가 여진되어 곧, (본 예에서는) 로울러(2)의 회전수가 7,980 rpm에 달하는 경우, 샤프트(1)에는 그 양단 고정점을 [마디]로 하는 고유진동(본 예에서는 진동수 133㎐)가 발생한다(1차 진동모우드). 이 경우 로울러(2)는 샤프트(1)의 진동에 따라서 전체적으로 상하방향으로 진동해 버린다.
더더욱, 로울러(2)의 회전수가 상승하여 그 회전수가 16,080 rpm에 달하면, 샤프트(1)에서는 그 양단 고정점 및 그의 이등분점(즉, 중점)을 각각 [마디]로 하는 고유진동(본 예에서는 진동수 268㎐)이 발생한다(2차 진동모우드). 이 경우 로울러(2)는 샤프트(1)의 진동에 따라서 로울러(2)의 양단이 상호 역위상으로 진동하기 때문에 시이소처럼 진동해 버린다.
이하 같은 모양으로, 로울러(2)의 회전상승에 따라 샤프트(1)에서는 그 양단고정점 및 그의 n등분점을 각각 [마디]로 하는 고유진동이 순차발생한다(n차 진동모우드). 단 n은 1 이상의 정수이고 n이 고차로 됨에 따라 샤프트(1) 이외의 타요소의 고유진동이 무시할 수 없게 된다.
이렇게 샤프트(1)에 고유진동이 발생하고, 이에 따라 로울러(2)가 진동하면, 섬유용 기계에서는 당해 진동이 실감기보빈에도 전달되어 실의 품질이 악화한다는 문제가 있었다. 더욱이, 고유진동에 의해 로타코아(5) 및 스테타코아(6)(제 7도 참조)가 접촉하고, 전동기 자체의 파손을 초래할 가능성이 있다는 문제도 있었다.
본 발명은 상술한 문제를 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적으로 하는 바는 회전에 수반하는 고유진동의 진폭을 대폭적으로 감소시키는 것이 가능한 회전체의 진동억제장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위해 고정지지축에 대하여 회전이 자유로운 회전체에서의 회전면으로서 상기 회전체의 회전중심을 통하는 다른 2개의 축방향에서 각 축방향 상호간에 역방향으로 상기 회전체를 각각 흡인하는 제 1조, 제2조의 전자석과, 상기 고정지지축과 상기 회전체와의 기준치에 대한 변위량을 상기 다른 2개의 축방향에서 각각 검출하는 제 1, 제2의 검출 수단과를 구비하고, 상기 축방향에 대응하는 변위량에 기하여 당해 축방향에 대응하는 조의 전자석에 의한 흡인력의 한쪽을 가산시키는 한편, 같은 조의 전자석에 의한 흡인력의 다른 쪽을 감산시키는 것을 상기 제 1, 제 2조의 검출수단을 따라 상기 제 1조, 제 2조의 전자석에 대하여 각각 행하는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명에 의하면 회전면의 회전중심을 통하는 다른 2개의 축방향에서의 고정지지축과 회전체와의 기준치에 대한 변위량이 각각 제 1, 제 2의 검출수단에 의해 검출된다.
여기서, 제 1 검출수단에 의해 검출된 변위량이 증대하면, 제 1조의 전자석의 한쪽은 이 변위량의 증대를 삭감하는 방향으로 회전체로의 흡인력을 증가시키는 한편, 같은 조의 전자석의 다른 쪽은 회전체로의 흡인력을 감소시키기 때문에, 회전체와 고정지지축과는 그 변위량의 증대가 감소하도록 상호 흡인된다.
제 2의 검출수단 및 제 2조의 전자석도 동일하다.
이에 의해 고정지지축과 회전체와의 변위량은 항상 기준치로 유지된다.
또한, 제 1, 제 2의 검출수단에 의해 검출되는 변위량이 각각 기준치로 되면, 제 1조, 제 2조의 각 전자석에 의해 흡인력은 각각 일정하게 되고, 지지축과 회전체와는 평형상태가 유지된다.
실시예
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 의한 1 실시예에 대해서 설명한다.
제 1도는 본 실시예의 계략구성을 도시한 측단면도이다.
본 도는 본 실시예의 진동억제장치(10)를 제 7도에 부가한 것으로 되어 있고, 이 진동억제장치(10)는 1차요크(11), 2차요크(12), 코일(13), 센서(14) 및 구동회로(15)로 구성된다.
또한, 제 1도에 있어서, 제 7도와 동일부분에는 동일한 부호를 붙이고, 그 설명을 생략한다.
다음에 본 실시예에 상세한 구성에 대해 설명한다.
제 2도는 제 1도에 있어서 A-A선 단면도이다.
본 도에 도시한 바와 같이, 샤프트(1)는 방사상으로 배치되는 자극(111-118)을 가지는 1차요크(11)가 취부되고, 이들 각 자극에는 코일(131∼138)이 각각 권선되어 있다.
이들 코일에서는 코일(131, 132)이 전기적으로 직렬 또는 병렬로 결선되어 있고, 동일하게 나머지 코일(133과 134또는 135와 136또는 137과 138)들도 각각 전기적으로 직렬 또는 병렬로 결선되어 있다.
한편, 로울러(2)의 내측면에는 자극(111∼118)에 대향하여 2차요크(12)가 취부되어 있다. 이 2차요크(12)는 로울러(2)가 자성체로 되어 있으면 생략할 수도 있다. 또한, 전류가 약해지는 것이 문제로 될 경우에는, 1차요크(11) 및 2차요크를 적층구조로 하므로서 그 전류의 약해짐을 감소시킴도 가능하다.
그리고, 코일(131∼138)에 전류를 흘림에 의해 자극(111∼118) 및 2차요크 (12)에는 도시한 자력선을 형성하는 전자력, 즉 2차요크(12)로의 흡인력이 발생하도록 되어 있다.
1차센서(14x)는 1차요크(11)와 2차요크(12)와의 공간 dx가 기준치에 대해 도시한 X축 방향으로 얼마나 변위하고 있는가를 그 변위방향과 함께 검출하는 것이다.
예를 들어, 1차센서(14x)는 당해 공간이 작아지는 방향으로 변위하는 경우그 변위량을 부호 "-"로서 출력하는 한편, 공간 dx가 큰 방향으로 변위하는 경우에 그 변위량을 부호 "+"로서 출력한다. 동일하게, 2차센서(14y)는 1차요크(11)와 2차요크(12)와의 공간 dy가 기준치에 대해서, 도시한 Y축 방향으로 얼마나 변위하고 있는가를 그 변위방향과 함께 검출하는 것이다.
다음으로, 본 실시예의 전기적 구성, 특히 1차 ·2차센서(14x, 14y), 구동회로(15) 및 코일(131∼138)에 대해서, 제 3도를 참조하여 설명한다.
본 도에 있어서, 제 2도와 동일부분에는 동일부호를 부여시켰다.
본 도에 도시한 바와 같이, 1차센서(14x)의 검출결과는 센서앰프(151)에 의해 소정의 증폭을 거처서 콘트롤러(153)에 공급된다.
콘트롤러(153)는 1차센서(14x)에 의한 검출결과에 대하여 적절한 연산처리, 예를 들면 PID(비레, 적분, 미분) 연산처리를 시행하는 것이다.
그리고, 콘트롤러(153)는 이 연산결과를 가산기(1551)의 일방의 입력단 "+" 및 가산기(1552)의 일방의 입력 "-"에 공급한다.
가산기(1551, 1552)의 타방의 입력단에는 일정 전류지령(C)이 공급되고 있다.
가산기(1551)에서는 이 일정 전류지령(C)과 콘트롤러(153)에 의해 연산결과 등이 가산되어, 이 가산결과가 파워앰프(1571)에 의한 전류증폭을 거쳐서 코일(133, 134)에 공급된다.
한편, 가산기(1551)에서는 일정 전류지령(C)으로부터 콘트롤러(153)에 의한 연산결과가 감산되고, 이 감산결과가 파워앰프(1572)에 의한 전류증폭을 거처서 코일(137, 138)에 공급된다.
더욱이, 파워앰프(1571, 1572)에 있어서의 전류증폭률은 상호 동등하게 설정되어 있다.
동일하게, 2차센서(14y)의 검출결과도 1차센서(14x)와 동일하게 처리된다.
즉, 2차센서(14y)에 의한 검출결과는 센서앰프(152)에 의한 증폭 및 콘트롤러(154)에 의한 PID연산을 순차로 거쳐서, 가산기(1561)에 있어서 일정 전류지령(C)이 가산되고, 당해 가산결과가 파워앰프(1581)에 의해 전류증폭을 거처서 코일(131, 132)에 공급되는 한편, 가산기(1562)에서의 일정 전류지령(C)으로부터 콘트롤러(154)의 연산결과가 감산되고, 당해 감산결과가 파워앰프(1582)에 의한 전류증폭을 거쳐서 코일(135, 136)에 공급된다.
다음에 본 실시예의 동작에 대하여 설명한다.
로울러(2)의 회전이 정지되어 있는 경우, 혹은 회전에 수반하는 진동이 극히 작은 경우에는, 1차요크(11) 및 2차요크(12)의 공간 dx, dy는 각각 기준치이므로, 1차·2차센서(14x, 14y)의 검출결과가 공히 "영"이 되고, 이 때문에 콘트롤러(153, 154)의 연산결과도 "영"이 된다.
따라서, 가산기(1551, 1561)에 의한 가산결과 및 가산기(1552, 1562)에 의한 감산결과는 각각 일정 전류지령(C)만으로 공급되기 때문에, 코일(131, 132와 133, 134와 135, 136과 137, 138)에 공급되는 전류치는 각각 동일하게 된다.
이 결과, 코일(131, 132와 135, 136)에 의해 2차요크(12)로의 각 흡인력은 상호 상쇄하고, 동일하게, 코일(133, 134와 137, 138)에 의해 2차요크(12)로의 각 흡인력도 상호 상쇄한다.
즉, 각 코일에 의한 2차요크(12)로의 흡인력은 제 2도에 있어서 X방향, Y방향 공히 균형되기 때문에 공간 dx, dy가 기준치로 유지된다.
다음에, 로울러(2)의 회전에 의해 샤프트(1)가 여진되고, 공간 dx가 크게 되는 방향으로의 변위가 발생한 경우에 대해서 설명한다.
이 경우, 1차센서(14x)는 기준치에 대한 변위량을 부호"+"로서 출력하기 때문에, 콘트롤러(153)의 연산결과도 이것에 따르는 것으로 된다.
이에 의해, 가산기(1551)에서는 일정 전류지령(C)에 당해 연산결과를 가산한 신호가 출력되기 때문에, 코일(133, 134)에 의해 생기는 흡인력은 증대하는 한편, 가산기(1552)에서는 일정 전류지령(C)으로부터 콘트롤러(153)에 의한 연산결과과 감해지기 때문에, 코일(137, 138)에 의해 생기는 흡인력은 저하한다.
로울러(2)의 강성은 샤프트(1)의 강성에 비하여 높기 때문에, 상대적으로 1차요크(11)가 X축의 "+"방향(우향으로)으로 끌려가는 결과, 샤프트(1)에서는 변위를 상쇄하려는 흡인력, 즉 공간 dx를 작게 하는 방향의 흡인력이 작동한다.
반대로, 로울러(2)에 의한 회전에 의해 샤프트(1)가 여진하고, 공간 dx가 작어지는 방향으로의 변위가 발생한 경우에는 기준치에 대한 변위량이 부호 "-"로 출력되기 때문에, 가산기(1551)에서는 일정 전류지령(C)으로부터 콘트롤러(153)의 연산결과를 감산한 신호가 출력되어, 코일(133, 134)에 의해 생기는 흡인력은 저하하는 한편, 가산기(1552)에서는 일정 전류지령(C)과 콘트롤러(153)의 연산결과가 가산되기 때문에, 코일(137, 138)에 의해 생기는 흡인력을 증가한다.
이에 의해 상대적으로 1차요크(11)가 X축의 "-"방향(좌향으로)으로 끌려가기 때문에, 샤프트(1)에는 변위를 상쇄시키려는 흡인력. 즉 공간 dx를 크게 하는 방향의 흡인력이 작동한다.
즉, X축 방향에서는 1차센서(14x)→구동회로(15)→코일(133, 134)과 코일 (137, 138)에 의한 흡인→1차센서(14x){변위검출}이라는 순환루우프에 의해 공간 dx가 항상 기준치로 유지되도록 억제된다.
동일한 형태의 동작이 Y축 방향에 대해서도 행해진다.
즉, 2차센서(14y)→구동회로(15)→코일(131, 132)과 코일(135, 136)에 의한 흡인→2차센서(14y){변위검출}이라는 순환루우프에 의해 공간 dy가 항상 기준치로 유지되도록 억제된다.
따라서, X축 및 Y축 방향에 있어서 변위를 각각 독립적으로 제어함으로서 제 2도에서의 회전면 전역에 걸쳐서, 1차요크(11) 및 2차요크(12)의 사이 공간 dx, dy가 항상 기준치로 유지되도록 제어되기 때문에, 로울러(2)의 회전에 의한 여진으로 샤프트(1)에 고유진동이 발생하고, 당해 고유진동의 진폭이 피크를 이루어도 그 진폭을 극히 작게 억제하는 것이 가능하다.
제 4도는 로울러(2)의 회전수와 a점{제 8도에 있어서 로울러(2)의 외주면 1단부}의 진동진폭과의 관계를 도시한 특성도이다.
본 도에 도시된 바와 같이, 종래예에서는 로울러(2)의 회전수가 상승함에 따라 고유진동이 순차발생하고, 이로 인해 외주부 일단부의 a점에서의 진폭은 회전수 7,980rpm, 16,080rpm에서 순차로 피크에 이른다.
한편, 본 실시예를 부가한 전동기에서는 종래예와 동일하게 로울러(2)의 회전수가 상승함에 따라 고유진동이 발생하지만, 그 진폭이 피크를 이루어도 극히 작게 억제되는 것이 판명되었다.
따라서, 본 실시예를 부하한 전동기에 의하면, 실질적인 최고 회전수까지의 전역에 걸쳐서 저 진동화가 가능하게 되기 때문에, 고유진동이 발생하는 회전수대를 피해서 사용할 필요가 없게되고, 임의의 회전수를 사용하는 것이 가능하게 된다.
본 실시예에서는 1차요크(11)와 2차요크(12)의 설치장소에 대해서 특별히 설명하지 않았으나, 샤프트(1)의 고유진동에 있어서, 억제해야 할 진동모터의 "배"부분에 본 발명에 의한 진동억제장치를 설치하면 가장 진동억제의 효과가 큰 것은 명백하다.
또한, 본 실시예는 전동기 내부에 꾸며 넣는 구성으로 되어 있으므로, 외부에는 전혀 스페이스를 필요로 하지 않는다.
더욱이, 본 실시예에서는 각 축방향의 변위량에 따른 연산결과에, 동일의 일정 전류지령(C)을 각각 가산, 감산하는 구성으로 하였지만, 회전력을 전달하기 위해, 제 2도에서의, X축방향에 로울러(2)를 외부장치에 압부하도록 한 경우에 있어서, 제 5도에 도시한 바와 같이 X축방향에 대향하는 코일끼리, 즉 코일(133, 134)과 코일(137, 138)에 각각 일정 전류지령(C)과 그의 일정 전류지령(C)에 로울러(2)의 압부압력을 나타내는 전류지령(C')을 가산한 가산결과와를, 1차센서(14x)에 의한 변위량의 연산결과에 각각 가산, 감산하는 구성으로 해도 좋다.
이에 의해, 압부압력이 미리 오프세트되기 때문에, 로울러(2)의 외주면을 실감기보빈에 압부할 때에도, 베어링(3)으로의 부하를 경감할 수 있고, 혹은 압부할 때의 스프링정수를 임의로 변화시킬 수 있다.
또한, 상술한 실시예에서는, X축방향, Y축방향의 변위를 검출하기에, 각각 1개의 센서를 사용하였지만, 제 6도에 도시한 바와 같이, 원점에 대한 센서(14x, 14y)의 대칭위치에 각각 대향하여 센서(14'x, 14'y)를 설치하고, 이들 대향하는 센서의 검출결과의 차분을 차등앰프(159, 160)에 의해 구하여, 센서앰프(151, 152)에 공급하도록 구성해도 좋다.
이 구성에 의한 변위량의 검출감도가 2배로 될뿐만 아니라, 센서 고유의 노이즈나 온도변화에 의한 특성변화 등을 상쇄시킬 수 있기 때문에 측정정밀도를 향상시키는 것이 가능하다.
이상 설명한 본 발명에 의하면, 제 1 또는 제 2 검출수단에 의하여 검출되는 변위량이 증대하면, 제 1조 또는 제 2조의 전자석의 한쪽은 이 변위량의 증대를 상쇄하도록 회전체로의 흡인력을 증가시키는 한편, 같은 조의 전자석의 다른 쪽은 회전체로의 흡인력을 감소시키기 때문에, 회전체와 고정지지축과는 그 변위량의 증대가 감소하도록 상호 흡인된다.
따라서, 회전에 수반하는 고유진동수가 발생해도, 고정지지축과 회전체와의 변위량을 항상 기준치로 유지되도록 흡인력의 증가감이 행하여지기 때문에, 당해 고유진동을 대폭 감소시키는 것이 가능하게 된다.
제 1도는 본 발명에 의한 제 1 실시예의 요부구성을 도시한 측단면도,
제 2도는 제 1도의 A-A선 단면도,
제 3도은 본 발명의 제 1 실시예의 전기적 구성도,
제 4도는 제 1 실시예에서의 로라의 회전수와 진동진폭과의 관계를 도시한 특성도,
제 5도는 본 발명의 제 2 실시예의 전기적 구성도,
제 6도은 본 발명의 제 3 실시예의 전기적 구성도.
제 7도은 종래 섬유기계의 사용되는 고속전동기의 구성을 도시한 측단면도,
제 8도은 샤프트에서의 고유진동과 그 진동모터를 도시한 설명도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 --- 샤프트 2 --- 로울러
113, 114--- 자극 133, 134--- 코일
117, 118--- 자극 137, 138--- 코일(제 1조의 전자석)
111, 112--- 자극 131, 132--- 코일
115, 116--- 자극 135, 136--- 코일(제 2조의 전자석)
14x --- 제 1센서 14y --- 제 2센서

Claims (1)

  1. 고정지지축에 대하여 회전이 자유로운 회전체에서의 회전면으로서 상기 회전체의 회전중심을 통하는 다른 2개의 축방향에서 각 축방향 상호간에 역방향으로 상기 회전체를 각각 흡인하는 제 1조, 제 2조의 전자석과,
    상기 고정지지축과 상기 회전체와의 기준치에 대한 변위량을 상기 다른 2개의 축방향으로 각각 검출하는 제 1, 제2의 검출수단과를 구비하고,
    상기 축방향에 대응하는 변위량에 기하여, 당해 축방향에 대응하는 조의 전자석에 의한 흡인력의 한쪽을 가산시키는 한편, 같은 조의 전자석에 의한 흡인력의 다른 쪽을 감산시키는 것을, 상기 제 1, 제 2의 검출수단에 따라서 상기 제 1조, 제 2조의 전자석에 대해서 각각 행하는 것을 특징으로 하는 회전체의 진동억제장치.
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