KR100323328B1 - 회전기의진동억제장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 회전기의 회전부의 진동을 억제하고, 회전수가 넓은 범위의 회전수에 있어서 안정한 회전동작을 얻도록함을 목적으로 한다.

이를 위해 본 발명은 회전부의 샤프트(3)를 2차요크(102)에 의해 지지하고,이 2차요크에 대향하여 전자석(101, LYa등)을 배치하고, 센서(103x, 103y)에 의한 샤프트를 횡절하고 방향의 2차요크의 자력을 억제하는 것에 의한 2차요크를 개재하여 샤프트의 진동을 억제하도록 하였다.

Description

회전기의 진동억제장치

본 발명은 고속이고 안정한 회전작동이 필요로 되는 회전기에 적합한 진동제어장치에 관한 것이다.

제 5도는 방사공정내의 섬유기계등에 적용되는 오버행잉로울러(Over Hanging Roller)부 회전기(1)의 구성을 도시한 것이고, 본 도에는 회전기(1)의 축선 J보다 옆쪽의 부분을 절개한 상태가 도시되어 있다.

본 도에 도시한 바와같이, 회전기(1)의 본체는 구동대상인 장치(2)에 고정되어 있다. 회전기(1)의 회전축인 샤프트(3)는 회전기(1)의 본체내부를 관통하고 있다.

이 샤프트(3)의 주위는 로타(6)에 의해 감쌓여 있고, 이 로타(6)에 회전구동하는 자력을 발생하는 스테타(7)가 로타(6)를 감쌓듯이 회전체 본체의 내측에 취부되어 있다. 샤프트(3)의 일단은 볼 베어링(B₁)을 개재하여 본체단부의 축수부(41)에 의해 지지되어 있고, 샤프트(3)의 타단에 이르기까지 중도부분은 축수부(42)에 의해 볼베어링(B₂)을 개재하여 지지된다. 그리고, 축수부(42)로부터 회전기 외부로 돌출한 샤프트(3)의 단부에는 로울러(5)가 취부되어 있다. 회전기(1)가 발생하는 회전구동력을 이 로울러(5)를 개재하여 구동대상인 장치에 전달된다.

그와 같은 구성을 가지는 회전기(1)에 의하면, 스테타(7)가 발생하는 자력에 의해, 로타(6)에 회전력이 부여되여, 이 회전력이 샤프트(3)를 개재하여 로울러(5)에 전달된다. 그래서, 방사공정에 있어서는, 이렇게 회전구동되는 로울러(5)에 의해 실에 장력을 부여하거나, 혹은 실을 가이드한다는 등의 처리가 행해진다.

그런데, 최근은 생산효율의 향상등의 요청에 의해, 이러한 종류의 회전기의 로울러가 계속 대형화하고 있다. 그러나, 로울러를 대형화하면, 이에 수반하여 회전기의 축단부하 및 축단질량이 크게 되어 로울러를 포함하는 회전계에 불균형적인 질량에 기인하는 큰 진동이 발생한다는 문제가 생긴다. 이 문제에 대해서 제 6도 내지 제 8도를 참조하여 설명한다.

회전계에 진동이 생기지 않도록 하기 위해서는 적어도 회전계 자체의 구조가 진동의 요인으로 되는 것을 포함하지 않고, 불균형적인 질량을 가지지 않는 상태로 할 필요가 있다.

그러나, 로타 등의 회전체 개개의 부품은 완전한 축대칭 형상으로 하는 것이 곤란하고, 이들을 조립한 회전계에 있어서는 완전한 축대칭으로 구성하는 것은 극히 곤란하기 때문에, 회전계의 중심과 회전계의 회전축과의 사이는 어쨋든 약간의 어긋남이 생겨버린다. 이렇게 중심이 회전축으로부터 어긋난 회전체를 회전구동한 경우, 그 회전속도에 대용한 주파수의 진동이 회전체에 생긴다. 더욱이 이러한 중심의 어긋남 이외에도 회전계의 불균형적인 질량을 구성하는 원인이 몇개가 있고, 그러한 불균형적인 질량에 기인한 가진력(加振力)이 회전계에 생기고, 이에 의해회전계에 진동이 생기게 된다.

제 6도는 이상 설명한 불균형적인 질량에 기인하여 회전체에 생기는 진동의 특성을 예시한 것이고, 같은 도면에 있어서 곡선 A는 제 5도에 도시하는 회전기(1)를 회전구동한 경우의 회전수 N과 로울러(5)의 a점에 생기는 진동의 진폭의 관계를 도시하고 있다.

일반적으로 로울러 샤프트등으로 되는 회전계는 고유진동수를 가지고 있다. 회전기(1)의 회전수가 고유진동수 이하인 경우에는 회전계가 받는 상기 불균형적인 질량에 기인한 가진(加振)의 영향이 작고, 제 5도에 도시한 바와 같이 로타(5)에는 근소한 진폭의 진동밖에 생기지 않는다. 따라서, 샤프트에 과도한 휨용력이 가해지지 않는 정상적인 회전동작이 얻어진다.

그러나 회전기(1)의 회전수가 고유진동수 부근에 다달으면, 회전계가 그 불균형적인 질량에 의한 가진력에 대해서 과민하게 반응하게 되어, 로울러등에 큰 진동이 발생하게 된다.

제 6도에는 1차 고유진동수 N₁에 있어서 로울러(5)의 a점의 진폭이 최대로 되는 상태가 도시 되어 있다.

더욱이, 실제는 2차이상의 고차의 고유진동수가 다수 존재하지만, 제 6도에서는 2차이상의 고유진동수의 도시는 생략되어 있다.

그리고, 이러한 큰 진동이 로울러(5)에 발생하면, 샤프트(3)에 큰 응력이 작용하고, 최악의 경우에는 샤프트(3)가 휘고, 극히 위험한 상태로 된다. (제 8도 참조)

또한, 제 8도는 샤프트(3)의 휘는 상태가 실제보다 과장되게 도시되어 있다.

이와 같이 회전계에 큰 진동이 발생하는 것을 피하기 위해, 일반적으로 회전기의 정격회전수 N_MAX는 1차의 고유진동수 N₁보다도 낮게 설정된다.

그러나, 생산성을 높이기 위해서는 정격회전수를 높게 설정한 필요가 있고, 이를 위해서는 하기와 같은 대책을 강구할 필요가 있다.

① 1차의 고유진동수를 높게 한다.

② 회전수가 고유진동수와 일치한 경우에 생기는 진동의 진폭을 낮게 억제한다.

여기서, 1차 고유진동수를 높이기 위해서는 샤프트(3)의 직경을 크게 할 필요가 있다. 그러나, 샤프트 직경을 크게 하면, 샤프트(3)를 지지하는 볼베어링의 dn치가 크게 되므로서 볼베어링의 수명이 저하한다. 이 때문에 샤프트의 대경화에는 한계가 있다.

한편, 1차 고유진동수 N₁에 있어서, 로울러의 진동의 진폭은 회전계가 가지는 블균형적인 질량 및 감쇠(減衰)계수에 의해 결정되지만, 불균형적인 질량을 작게 하여 안정성을 높히기 위해 감쇠계수를 높이거나 하는 것에도 한계가 있고, 1차 고유진동수에 있어서 로울러의 진동을 억제하는 것은 곤란하였다.

본 발명은 상기한 사정에 감안하여 이루어진 것으로서, 회전수와 회전계의 고유진동수가 일치한 경우에 있어서도 회전기에 있어서 큰 진동이 발생하지 않고,회전기를 고속 또한 안전한 상태에서, 동작시킬 수 있는 진동억제장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 의한 회전기의 진동억제장치는 회전기의 회전부를 축지지하는 요크와, 상기 요크에 대향배치된 전자석과, 상기 회전부를 가로지르는 방향의 상기 요크의 변위를 검출하는 센서와, 상기 센서에서 얻어진 검출신호에 의거해서 상기 전자석에 의해 발생하는 자력을 제어하여 상기 요크에 생기는 진통을 억제하는 제어회로등을 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.

상기 구성에 의하면, 회전부의 진동에 수반되어 요크가 진동한다. 그래서, 이 진동에 의한 요크의 변위가 센서에 의해 검출되고, 센서의 검출신호에 의거하여 전자석의 전류가 제어되고, 요크를 개재하는 회전부의 진동이 억제된다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.

<제 1 실시예>

제 1도는 본 발명의 제 1실시예에 의한 진동억제장치(200)를 구비한 회전기의 구성을 도시한 일부 절개면도이다.

또한, 제 2도는 진동억제장치(200)의 I-I'선 단면도이다.

또한, 제 2도에서는 로타등의 회전기(1)의 구성부품에 대해서는 번잡화를 피하기 위해 도시가 생략되었다.

상기한 종래의 회전기(제 5도)는 샤프트(3)의 양단이 볼베어링을 게재하여 축수에 지지된 구성이었지만, 제 1도에 도시하는 회전기(1)에는, 제 5도에 있는 축수부(41)에 대신하여, 진동억제장치(200)가 설치되어 있다.

이하, 본 실시예에 관계하는 진동억제장치의 구성을 설명한다.

원통형상을 이루는 2차요크(10)의 내부는 샤프트(3)가 관통되어 있다. 이 2차요크(102)의 축방향에 연하여 중앙으로부터 약1/2의 원통부분은 볼베어링(B₁)을 개재하여 샤프트(3)가 지지되어 있고, 2차요크(102)의 남은 원통부분은 고무, 금속스프링 등에 의한 탄성체(104)를 개재하여 회전기 본체의 단부에 고정되어 있다.

1차요크(101)는 둥근환상을 이루고 있고, 2차요크(102)와 대향하고, 또한 동심원을 이루도록 회전체 본체의 내벽에 취부되어 있다.

제 2도에 도시한 바와 같이, 1차요크(101)는 그 내주로부터 2차요크의 어느쪽에 향하여 8개의 자극이 돌출되어 있고, 이들 자극에는 코일 LY_a, LY_b. LX_a, LX_b, LY_d, LX_c, LX_d가 각각 권선되어 있다. 제 1도에서는 이들 8개의 코일중에 코일 LY_a가 도시되어 있다.

코일 LY_a및 코일 LY_b는 직렬접속 또는 병렬접속되어 있고, 이들에 대한 통전이 되므로서, 제 2도에 파선 및 화살표로 도시한 바와 같이, 1차요크(101)→코일 LY_b내의 자극→2차요크(102)→코일 LY_a내의 자극→1차요크(101)라는 자로(磁路)를 통과하는 자속이 발생되고, 2차요크(102)가 Y방향에 흡인되어지도록 되어 있다. 기타의 각 코일조, 즉 코일 LX_a및 LX_b, 코일 LY_c및 LY_d, 코일 LX_c및 LX_d에 있어서도 동일하고, 이들 각조를 이루는 코일 및 1차 요크(101)로부터 돌출한 각 자극에 의해, 2차요크(102)를 X방향, -Y방향 및 -X방향에 흡인하는 전자석이 구성되어 있다.

더욱, 1차요크(101) 및 2차요크(102)에 와전류(渦電流)가 발생하여, 이것이 2차요크(102)에 교환으로 작용할 가능성이 있지만, 이 영향이 간과될 수 없는 경우에는 1차요크(101) 및 2차요크(102)를 공히 적층구조로 하여 와전류를 저감하면 좋다.

또한, 2차요크(102)와 대향하도록 거리센서(103x 및 103y)가 배치되어 있고, 이들 거리센서에 의해 2차요크(103)까지의 거대에 응한 검출신호가 출력된다. 더욱이, 제 1도에서는 거리센서(103y)만이 도시되어 있다.

거리센서(103x 및 103y)로서는, 예를 들어 와전류식의 것, 또는 광학식(光學式)의 것을 사용할 수 있다.

거리센서(103y 및 103x)로부터 얻어지는 검출신호는 제 1도에 있어서 진동제어회로(100)에 공급된다. 이 진동제어회로(100)는 거리센서로부터의 검출신호에 의거하여, 2차요크(102)의 Y방향 또는 X방향의 진동을 억제하는 자속이 발생되도록 코일 LX_a, LX_b, Ly_a, Ly_b, LX_c, LX_d, LY_c, LY_d의 통전량을 제어하는 것이다.

제 3도는 진동제어회로(100)의 전회로중 2차요크(102)의 Y방향진동의 억제에 관계하는 부분을 도시한 것이다.

이 도에 있어서, 거리센서(103y)로부터 얻어지는 검출신호는 센서앰프(111y)를 개재하여 콘트롤러(112y)에 부여된다. 콘트롤러(112y)는 센서앰프(111y)의 출력신호에 대하여 P.I.D.제어를 포함하는 소정의 처리 즉, PID의 조합처리나 P.I.D.의 단독 또는 어느 두 수단의 조합처리 및 위상보상회로처리, 각종 필터 등의 처리를하고, 가산기(121y) 및 감산기(122y)로 출력한다. 여기서, 콘트롤러(112y)의 출력신호에는 비례요소(P), 적분요소(I)및 미분요소(D)가 포함되지만, 이들중 비례요소(P)는 샤프트(3)가 진동하지 않고 2차요크(102)가 이상적인 위치에 있는 상태에서는 "0"으로 되고, 2차요크(102)가 비상적인 위치로부터 Y방향으로 변위하면 그 변위량에 응한 부의 값으로 되고, 역으로 -Y방향에 변위한 경우에는 변위량에 응한 정의 값으로 된다.

이 비례요소(P)및 적분요소(I)로 2차요크(102)를 정위치에 유지하는 제어신호로서 기능한다. 또한, 미분요소(D)는 회전계의 진동의 감쇠계수를 높이기 위한 제어신호로서 기능한다.

가산기(121y)는 소정의 일정전류지령치(S)에 대하여 콘트롤러(112y)의 출력신호를 가산하여 출력하고, 감산기(122y)는 일정전류지령치(S)로부터 콘트롤러(112Y)의 출력전류를 감산하여 출력한다.

가산기(121y) 및 감산기(122y)의 각 출력신호는 파워앰프(131y 및 132y)에 각각 입력된다. 그래서, 파워앰프(131y)는 코일 LY_a및 LY_b를 구동한고, 다른쪽 파워앰프(132y)는 코일 LY_c및 LY_d를 구동한다.

그리고, 본 발명에서 사용되는 P.I.D.제어회로는, 예컨대 감쇠부가만으로 좋은 경우는 미분요소(D) 또는 위상보상회로로 처리하는 것이고, 스프링 상수를 증가시키고 싶은 경우에는 비례요소(P)로 또한, 편차를 없애고 싶은 경우에는 적분요소(I)로 제어되도록 처리되는 것이다.

이상, Y방향의 진동제어에 관계한 회로구성을 설명하였지만, 이와 동일한 구성을 가지고, 거리센서(103x)의 검출신호에 의거하여 코일 LX_a, LX_b, LX_c, LX_d에 대하여 통전량을 제어하는 회로가 진동제어회로(100)내에 설치되어 있다.

이하, 본 실시예의 동작을 설명한다. 스테다(7)가 발생하는 자계에 의해 로타(6)가 회전구동되고, 샤프트(3)가 회전한다. 회전기(1)의 회전수가 1차 고유진동수보다도 낮고, 샤프트(3)에 큰 진동이 발생하지 않고 2차요크(102)는 이상적인 위치에 있는 경우에 콘트롤러(112y)의 출력신호는 "0"으로 된다.

따라서, 이 경우 일정 전류지령치(S)에 대응한 전류가 각 코일에 공급되게 되고, 2차요크는 Y방향, X방향, -Y방향 및 -X방향의 4방향에 균등한 자력에 의해 흡인되고, 이상적인 위치를 유지한다.

이에 대해, 회전기(1)의 회전수가 회전계의 고유진동수 부근에 있는 경우에는, 샤프트(3)에 축방향을 가로지르는 방향의 큰 진동이 발생하기 쉽게 된다. 그와 같은 진동이 발생한 경우, 그 진동은 볼베어링(B₁)을 개재하여 2차요크(102)에 전달된다. 여기서, 2차요크(102)가, 예를 들어 y방향 및 -y방향에 진동했다고 하면, 이 진동에 의거하여 2차요크(103)의 변위가 거리센서(103y) 및 센서앰프(111y)를 개재하여 콘트롤러(112y)에 의해 검지되고, 콘트롤러(112y)로부터 그 변위량에 응한 신호가 출력된 다. 여기서, 콘트롤러(112y)의 출력신호중의 비례요소(P)는 2차요크(102)의 변위방향이 Y방향의 경우에는 부의 값으로 되어 코일 LYa, LYb의 전류를 감소시켜버림과 함께 코일 LYc 및 LYd의 전류를 증가시킨다.

역으로, 2차요크(102)의 변위방향이 -Y방향일 경우에는, 비례성분(P)은 정으로 되고, 코일 LY_a및 LY_b의 전류를 증가시켜버림과 함께 코일 LY_c및 LY_d의 전류를 감소시킨다.

이러한 콘트롤러(112y)의 출력신호중의 비례성분(P)과 같이 적분성분(I)이 각 코일의 통전량의 제어에 사용됨으로서, 2차요크(102)를 개재하는 사프프(3)를 Y방향에 관한 정위치에 유지하는 제어가 행하여진다. 또한, 콘트롤러(112y)의 출력신호중의 미분성분(D)은 상기 비례요소(P)보다도 위상이 앞선 상태에서 각 코일의 통전량의 제어에 기여하고, 샤프트(3)를 포함하는 회전계의 감쇠계수를 높이는 기능을 완수한다.

2차요크(102)의 x방향의 진동도, 거리센서(103x)로부터 얻어지는 검출신호에 의거한 Y방향의 경우와 동일한 동작에 의해 억제된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시예에 의한 진동제거장치에 의하면, 회전기의 회전수가 고유진동수에 일치하여 샤프트(3)에 큰 진동이 발생하기 쉬운 상황에 있어서도 진동을 효과적으로 억제할 수 있고, 회전기의 동작을 진동이 적은 안정한 것으로 할 수 있다.

제 6도에 있어서 곡선 B는 본 실시예에 의한 진동억제장치를 취부한 경우의 회전기(1)의 회전수 N과 로울러(5)의 a점의 진폭의 관계를 도시한 것이다.

진동억제장치를 가지지 않는 종래의 회전기(1)의 특성(곡선A)에 비하여 1차 고유진동수 부근에서의 진동이 극히 낮은 진폭치로 억제되고 있는 것이 이해된다.

<변형례>

이상 설명한 실시예에 있어서 다음과 같은 변형례가 고려되어진다.

(1) 상기 실시예에서는 X, Y 각 방향에 있어서 각각 1개의 거리센서를 설치했지만, 각 방향에 대해 2개의 거리센서, 즉 Y방향의 경우라면 2차요크의 Y방향에의 접근을 검출하는 센서와 -Y방향에의 접근을 검출하는 센서와를 설치한다. 또한, 각 방향에 대해서 2개의 센서의 출력을 차등증폭하여 진동억제를 위한 제어에 사용한다.

상기 실시예에 비하여, 2차요크의 변위에 대한 검출감도가 2배로 됨과 아울러 온도변화등에 기인하여 센서, 앰프등에 생기는 동상의 잡음신호를 제거할 수가 있고, 변위의 측정정밀도가 향상한다.

(2) 상기 실시예에서는, 일정 전류지령에 의해 각 코일에 일정전류를 공급함과 아울러 2차요크(102)의 이상적인 변위로부터의 변화부분에 응답하는 한쪽의 전자석에 흐르는 전류를 상기 일정전류로부터 증가시킴과 함께 다른쪽의 전자석에 흐르는 전류를 상기 일정전류로부터 감소시키도록 하였다.

그러나, 이러한 각 코일에 일정전류를 흘리게 하는 것은 아니고, 2차요크(102)가 변위한 경우에는 한쪽의 전자석에 전류를 흘리는 것만으로 본래 위치에 복귀하도록 하는 것도 좋다.

즉, 2차요크(102)가 Y방향에 변위하여 콘트롤러부터 부의 출력신호가 얻어지는 경우에는 이 신호에 대응한 전류를 코일 LY_c, LY_d에만 공급하고, -Y방향에 변위하여 콘트롤러부터 정의 출력신호가 얻어진 경우에는 이 신호에 대응한 전류를 코일 LY_a, LY_d에만 공급하도록 구성한다. 구체적으로는, 가산기(121y) 및 감산기(122y)에 교대로 정의 신호만을 통과시키는 리미터와 부의 신호만을 통과 시키는 리미터를 파워앰프(131y, 132y)의 각각의 전단에 배치하고, 각 리미터에 콘트롤러(112y)의 출력신호를 부여하도록 하면 좋다.

(3) 진동제어회로는 회전기본체의 외측에 배치하고, 케이블에 의해 회전기 본체 내부의 각 센서, 각 코일과 접속해도 좋다.

(4) 탄성체의 스프링력에 의한 2차요크를 개재하여 볼베어링에 샤프트의 축심에 향하는 방향의 예압(豫壓)을 부여해도 좋다. 이와 같이 하므로서 볼베어링의 특성을 안정화 할 수 있다.

<제 2실시예>

본 발명의 제 2 실시예의 구성을 제 4도에 도시한다. 본 실시예는 1차요크(101)의 각 자극과 2차요크(102)와의 사이 공간부 G, G, ----- (제 2도 참조)에 탄성체(104)를 개삽하여, 2차요크(102)를 1차요크(101)에 의해 탄성지지한 구성으로 되어 있다. 본 실시예에 있어서도 상기 제 1 실시예와 동일한 효과가 얻어진다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면 회전기의 회전부를 축 지지하는 요크와, 상기 요크에 대향 배치된 전자석과, 상기 회전축을 가로지르는 방향에 상기 요크의 변위를 검출하는 센서와, 상기 센서로부터 얻어지는 검출신호에 의거하여,상기 전자석에 의해 발생하는 자력을 제어하여 상기 요크의 진동을 제어하는 제어회로등을 설치하였기 때문에, 회전기의 회전부의 발생하는 진동을 제어할 수 있고, 회전기의 회전수가 고유진동수 부근에 있는 경우에도 큰 진동을 발생시키지 않고, 광범위의 회전수의 있어서 안정한 회전동작을 시킬 수 있도록 하는 효과가 얻어진다.

제 1도는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 진동억제장치를 적용한 회전기의 일부절개도,

제 2도는 제 1도의 A-A선 단면도,

제 3도는 동 실시예에 있어서 진동제어회로의 구성을 도시한 블록도,

제 4도는 본 발명의 제 2 실시예에 의한 진동억제장치를 적용한 회전기의 일부절개도,

제 5도는 종래 회전기의 구성을 도시한 절개도,

제 6도는 회전기에 있어서 회전수와 로울러에 발생하는 진동과의 관계 및 본 발명의 효과를 설명하는 도면,

제 7도는 회전수가 고유진동수와 일치한 경우에 있어서 회전기의 거동을 설명하는 도면이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 --- 회전기 3 --- 샤프트

101 --- 1차요크 102 --- 2차요크

103X, 103Y --- 거리센서

LX_a, LX_b, LX_c, LX_d, LY_a, LY_b, LY_c, LY_d--- 코일(전자석)

200 --- 진동억제장치

Claims (1)

1. 회전기의 회전부를 축지지하는 요크와,

   상기 요크에 대향 배치된 코일로 되는 전자석과,

   상기 회전부를 가로지르는 방향의 상기 요크의 변위를 검출하는 센서와,

   상기 센서로부터 얻어지는 검출신호로 콘트롤러에 부여하는 센서앰프와, 부여된 출력신호를 P.I.D.제어하는 콘트롤러와, 상기 콘트롤러의 출력이 P.I.D. 제어에 의해 가산기 또는 감산기를 통해 출력하도록 하는 자력을 제어하고 상기 요크에 생기는 진동을 제어하는 제어회로

   와를 구비하는 것을 특징으로 하는 회전기의 진동억제장치.