JP3736100B2 - 磁気軸受スピンドル - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生産加工機械等に用いられる磁気軸受スピンドルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年機械加工の分野において、高速切削加工に対する要請が強くなっている。高速切削は生産効率の向上が図れる、切削抵抗を低減できるため加工精度が向上し工具の寿命が延びる、また一体の原料から形状を一気に削り出すことで鋳型などの費用を削減できかつ工程の短縮化がはかれる、などの効果が期待されている。
【０００３】
また最近の製品品質に対する要求は、加工面の品質すなわち形状精度や面粗度だけでなく、加工表面下の欠陥や変質層の有無まで問われるようになってきており、金属除去に伴う発生熱の影響が低く、加工負荷が小さくできる高速切削の期待が大きい。
【０００４】
加工機の性能を決定的に支配するスピンドルには、従来から主に玉軸受による支持構造が用いられてきた。前述した高速切削の要請に対して、潤滑方式の改良、セラミックス軸受の採用などにより、高速化に応えるための開発がなされている。
【０００５】
一方、磁気浮上により非接触で回転体を支持する能動制御型の磁気軸受スピンドルが、玉軸受方式の限界を超える可能性を持つものとして、近年注目されている。
【０００６】
図８はその磁気軸受スピンドルの一例であり、５００はスピンドルの主軸、５０１はモータロータ、５０２はモータステータである。５０３と５０４はフロント側ラジアル軸受、５０５と５０６はリア側ラジアル軸受、５０７と５０８はスラスト軸受であり、それぞれ回転側のロータと固定側のステータから構成される。５０９，５１０はフロント側とリア側のラジアル変位センサー、５１１はスラスト変位センサー、５１２，５１３は保護ベアリング、５１４はケーシングである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
加工用スピンドルの基本性能は、通常ＤＮ値(主軸径×回転数)の大きさで評価される。玉軸受スピンドルの場合、近年様々な改良がなされているが、機械的な摺動潤滑をともなうために、寿命という点を考慮すれば、実用的にはＤＮ値は250万程度が限界とされている。
【０００８】
一方磁気軸受の場合、半永久的に使用可能である非接触回転の特徴を活かすことにより、玉軸受のＤＮ値を大きく上回るスピンドルが実現できる可能性がある。前述した加工側の高速・高剛性の要請に応えるために、スピンドルの主軸径をより大きく、またより高速で回転させる試みがなされている。大きな主軸径が要望される理由は、主軸径が大きい程、高速時の慣性剛性（主軸の軸中心が一方向を保とうとする力学的効果）が大きく、またより大きな外径の刃具を把持できるからである。
【０００９】
しかし非接触であるがゆえに低損失であると期待された磁気軸受は、高ＤＮ値を追求する取組みの結果、予想外の大きな摩擦損失が生じることが明らかとなった。その主たる要因は、ラジアル軸受の渦電流損によるものである。ラジアル軸受は上下左右の４方向から磁気の力で回転子を吸引して回転子を非接触で中心に保持する。回転子鉄心中の一点は、回転によってたとえばN→S→N→Sと順次に磁束が変化するために、回転子鉄心には変動する誘起起電力が生じて渦電流が流れることになる。この渦電流損を小さくするために、回転子鉄心は、通常薄い電磁鋼板（珪素鋼板）を重ねあわせた積層構造が採用される。
【００１０】
さて渦電流損は、一般に抵抗率に反比例し、鉄板の厚さの２乗に比例し、周波数（回転速度）の２乗に比例する。上記おおまかな原則を踏まえて、高ＤＮ値（大きな主軸径と高い回転数）のスピンドルの実現を見込み、磁気軸受の回転部を構成した場合、次のような課題が生じた。
【００１１】
▲１▼渦電流損を低減するために、抵抗率が高く、板厚の薄い電磁鋼板を採用した場合、遠心力によって発生する応力に対して、材料の機械的強度の限界から許容回転数に制約が生じた。遠心力によって発生する応力は、回転体の周速で決まるため、ＤＮ値にはおのずと限界が生ずる。
【００１２】
▲２▼逆により高い回転数にまで耐える、板厚が大きく抵抗率の低い電磁鋼板を採用した場合、大きな渦電流損による発熱によって主軸に大きな温度上昇をもたらした。
【００１３】
主軸に温度上昇をもたらす発熱の要因として、磁気軸受に加えてモータもそのひとつである。回転スピンドルに用いられる誘導モータは、通常スロットを打ち抜いた薄い珪素鋼板を積み重ねて鉄心を作り、そのスロットの中に銅またはアルミニウムの導体棒を通し、鉄心の外で前記導体棒の両端をエンドリング（端絡環）で短絡した構成になっている。誘導モータの回転原理にもとずき、固定子である界磁巻線に回転磁界が生ずると、前記エンドリングに誘導電流が流れる。この誘導電流によるジュール熱が発熱要因となる。
【００１４】
さて、これらの発熱による主軸の温度上昇は、高ＤＮ値のスピンドルの高速時の高精度回転化を図る上で、不可避な課題を提起することになった。その最大の課題は主軸の振れの増大である。たとえば、主軸径をφ９０、回転数を４〜５万回転に設定したとき、主軸に発生するラジアル方向の振れは数十ミクロンになった。主軸に装着される工具先端の振れは勿論この値を上回る。加工時の工具の振れは、びびり振動の要因となり、加工面精度を劣化させ、また工具寿命を著しく低下させる主要因となる。
【００１５】
本発明は、磁気軸受スピンドルの高速・高剛性化（高ＤＮ値化）を図るための課題に対して、解決策を与えるものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、回転軸と、前記回転軸の負荷側に設けられ、かつ、前記回転軸の軸径方向荷重を支持する第一のラジアル軸受と、前記負荷側に対して反対側に設けられた第二のラジアル軸受と、前記第一のラジアル軸受と前記第二のラジアル軸受との間に設けられたモータとで構成される磁気軸受スピンドルにおいて、前記第一と第二のラジアル軸受の回転部のそれぞれのロータ外径をＤ1、Ｄ2とし、かつ、前記モータのロータ外径をＤｍとしたとき、Ｄｍ＞Ｄ 1 ＞Ｄ 2 であることを特徴とするものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、まず最初に本発明に至るまでの考察について述べる。
二つのラジアル磁気軸受の回転部とその中間部に配置されるモータの回転部を発熱源として、高速回転時に主軸は温度上昇する。この温度上昇によって、主軸はある曲率をもって変形することが分かった。この変形をもたらす要因として、
▲１▼磁気軸受部、モータ部に積層された電磁鋼板の発熱量が非軸対称である。この非軸対称性は、磁性材料である積層鉄芯の磁気特性が製作時に熱的な変化を経るために、抵抗率、透磁率等の僅かなばらつきによって生ずるものと考えられる。
【００１８】
▲２▼また発熱量のばらつきを極力押さえたとしても、主軸の変形をもたらす次の要因がある。すなわち、磁気軸受、モータの回転子は多くの複合部品、すなわちモータ・磁気軸受の積層鉄芯とそれを側面から締結するリング、スラスト軸受の円盤、主軸内部を利用して設けられたツーリング部材等から構成される。これらの部材は、焼きばめ、圧入工程を経てスピンドルの主軸として組み立てられため、高速・高温下の苛酷な条件下において、これらの部品の熱膨張特性の温度依存性が軸非対称性を持つのは、実用上避けられない。
【００１９】
さて、主軸の軸方向に座標をとり、温度分布と応力分布の軸非対称性を持つ部分をＸとする。ここで上記Ｘが主軸の変形と工具の振れに与える影響は、Ｘが主軸のどの位置にあるかで大きく異なることに着目する。図１において、
（１）温度分布と応力分布の軸非対称性を持つ部分： Ｘがスピンドルのフロント側１００（第一のラジアル軸受）にあるとき、主軸１０１に曲がりをもたらす個所と工具１０２先端の間の距離：ｌ1は小さく、工具先端の振れに与える影響は図（イ）のごとく小さい。
【００２０】
（２）Ｘがスピンドルのリアー側１０３（第二のラジアル軸受）にあるとき、図（ロ）のごとく磁気軸受のギャップ内で主軸は曲がり、かつ曲げの変曲点を持つ。しかしスピンドルとして最も必要な機能（工具先端の振れ精度）にはなんら影響を与えない。軸受のギャップ内で主軸の曲がりが許されるのは、玉軸受（2点で固定支持）にはない磁気軸受スピンドルだけの特徴である。
【００２１】
（３）Ｘがスピンドルの中央部（モータ部）にあるとき、主軸に曲がりをもたらす個所と工具先端の間の距離：ｌ1は最も大きく、工具先端の振れに与える影響は図（ハ）のごとく大きい。
【００２２】
図２は、上記着眼点を熱・構造解析を用いて実証したものである。解析を行う上での仮定として、主軸の変形をもたらす推定要因、すなわち▲１▼磁気軸受、モータの円周方向温度分布、▲２▼複合部材による応力分布、▲３▼主軸本体の残留歪み、などの軸非対称の温度依存性を持つ要因：Ｘを「等価温度差：ΔT」で代表させる。解析条件は、φ９０×４２０ｍｍのストレートな主軸が、円周方向と軸方向の一定幅（４５゜×１００ｍｍ）の範囲で、円周方向で温度差：ΔTをもつとした。またツール先端は主軸端部から５０ｍｍの位置にあるものとする。図３は上記条件下における熱・構造解析の結果を示すものである。
【００２３】
（１）上記温度差を持つ部分が主軸のフロント側にあるとき、温度差：ΔTに対するツール先端の振れ：δは極めて小さい。
【００２４】
（２）温度差を持つ部分が主軸の中央部にあるとき、温度差：ΔTがツール先端の振れに与える影響は極めて大きく、上記（１）の5倍程度である。
【００２５】
以上の考察から得られた知見を要約すれば、▲１▼フロント側磁気軸受の発熱による要因：Ｘがたとえあったとしても、ツール先端の振れに与える影響は小さい、▲２▼主軸に曲がりをもたらす要因：Ｘの影響を低く押さえるためには、主軸の中央部（モータ部）の剛性を他の部分よりもアップさせる、ことがキーポイントであることがわかる。ちなみに、外径：φＤの丸棒の断面２次モーメント：I＝πＤ4／６４であり、軸の剛性は外径の４乗に比例するため、外径を僅かに大きくしても剛性アップに与える効果は大きい。
【００２６】
すなわち本発明では、前記第一と第二のラジアル軸受の回転部のそれぞれのロータ外径をＤ1、Ｄ2として、かつ前記モータのロータ外径をＤmとしたとき、Ｄm＞ Ｄ1とし、望ましくはさらにＤm＞Ｄ2とする。
【００２７】
図４は本発明の第一実施例の高速磁気軸受スピンドルを示すもので、１はスピンドルの主軸、２はモータロータ、３はモータステータである。４と５はフロント側ラジアル軸受（第一のラジアル軸受）のロータとステータ、６と７はリア側ラジアル軸受（第二のラジアル軸受）のロータとステータである。８と９はスラスト軸受のロータとステータである。１０，１１はフロント側とリア側のラジアル変位センサー、１２はスラスト変位センサー、１３，１４は保護ベアリング、１５はフロントプレート、１６はフロントケース、１７はリアーケース、１８はリアープレートである。主軸１は、フロント側ラジアル軸受のロータ４（外径：φＤ1）が装着されたフロント部１９、モータロータ２（外径：φＤm）が装着された中央部２０、リア側ラジアル軸受のロータ６（外径：φＤ2）が装着されたリアー部２１から構成される。
【００２８】
以下、本発明をベースとした他の実施例について述べる。
ラジアル軸受とモータの各ロータ部は、主軸に装着された磁性材料による積層鉄芯から構成されている。通常、この積層鉄芯は母体である主軸程は強度は期待できない。したがって、第一と第二のラジアル軸受及び前記モータのそれぞれの前記軸芯部の外径をｄ1、ｄ2、ｄmとしたとき、ｄm＞ｄ1およびｄm＞ｄ2とすれば、工具の振れはさらに低減できる。
【００２９】
たとえばＤＮ値が３６０〜４５０万の高速スピンドルの場合、磁気軸受、モータ共、その回転子を構成する材料は、遠心破壊に対してほぼ限界に近いところで使用される。通常用いられる誘導モータは、ロータ内部を貫通する導体棒を両サイドのエンドリングで保持する構成となっている。通常アルミあるいは銅で構成されるエンドリングには、高速時大きなせん断が加わるため、誘導モータの高速化の限界はこのエンドリングの遠心破壊強度で決まることが多い。
【００３０】
そこでモータは誘導モータではなく、ロータ部に永久磁石を有するＡＣサーボモータを用いれば、ロータ径：Ｄm（あるいはｄm）をさらに大きくできる。その理由はＡＣサーボモータでは、ロータ表面に貼り付けられた永久磁石の耐遠心破壊強度を高める公知の方法、たとえば（１）永久磁石ロータに強度のあるチタン合金のパイプを被せる、（２）カーボンファイバーなどの補強繊維でロータを被覆する、等の方法が採用できるからである。 ＡＣサーボモータで上記(1)、(2)が採用できる理由は、磁石の透磁率は空気と同程度であり、ロータとステータ間のエアーギャップが少々大きくなっても、誘導モータ程は効率に大きな影響を与えないからである。しかし誘導モータの場合、エアーギャップを大きくすれば、トルクはギャップの２乗に逆比例して極度に低下してしまうため、ロータの補強は難しくロータ径を大きくするのには限界がある。
【００３１】
ＡＣサーボモータに、ロータ内部に永久磁石を内蔵する公知の埋め込み磁石モータ（ＩＰＭモータ）用いれば、耐遠心破壊強度が向上するため、ロータ径をさらに大きくでき、非軸対称の熱応力に対して一層強い構造にできる。図５に埋め込み磁石モータの原理図を示す。３０はステータ、３１は埋め込み磁石、３２はロータである。この埋め込み磁石モータでは、前述したような（１）（２）のロータの補強策を施さなくてもよく、そのためロータ、ステータ間のエアーギャップの増大による効率低下もない。
【００３２】
本発明における永久磁石型モータの適用は、モータが配置される個所が熱・応力の軸非対称性がツールの振れに最も大きな影響を与えるところである、という知見を踏まえて、▲１▼パワーアップではなく、モータが配置される個所の剛性を大きくするために、モータの適性を活かしてモータロータ径を太くする、▲２▼ロータに誘導電流が流れないため、発熱と温度上昇そのものを小さくできるというメリットが得られる。すなわち、上記▲１▼×▲２▼の相乗効果が本発明の特徴である。
【００３３】
図６は、モータ・ステータのコイルエンドの内側が、通常無効な空間（使用できない空間）とされていることに注目して、この部分に補強用のリングを設けたものである。５１はモータのロータ、５２はステータ、５３ａ、５３ｂはコイルエンド、５４ａ、５４ｂはエンドリング，５５ａ，５５ｂは補強リング、５６は主軸、５７はハウジングである。モータに誘導モータを用いる場合、前記エンドリングには誘導電流を効率よく流すために、通常銅またはアルミ系の材料をもちいる。しかし前記補強リングには、機械的強度を重視して、鉄系材料を焼きばめまたは圧入等により主軸５６に装着すればよい。
【００３４】
またモータ・ステータの中心とコイルエンドの距離をＬ1、モータ・ロータの中心と補強リングの距離をＬ2、モータ・ロータの外径をＤm、補強リングの外径をＤEとして、Ｌ1≒ Ｌ2、 ＤE ≒Ｄmとすれば、最も効果的である。
【００３５】
図７は、ＡＣサーボモータを用いた場合にエンドリングを兼ねて、高強度材による補強リング６０ａ，６０ｂを設けた例である。 各部品の寸法：Ｌ1、 Ｌ2、ＤE、Ｄmの関係は図６の場合と同様である。
【００３６】
前記補強リングは、延性がありかつ前記主軸よりも熱膨張率の小さな材料を用いれば、高速・高温の条件下で主軸の変形を抑制する作用が得られる。
【００３７】
また磁気軸受スピンドルのフロント側とリアー側の電磁石を次のように構成することにより、発熱の総量を低減させ、主軸の温度上昇と熱変形をさらに抑制できる。
【００３８】
▲１▼フロント側の電磁石に用いる電磁鋼板には、渦電流損が大きいが機械的強度が高い磁性材料を用いる。
【００３９】
▲２▼リアー側の電磁石に用いる電磁鋼板には、機械的強度は低いが渦電流損も小さい磁性材料を用いる。
【００４０】
▲３▼φＤm＞φＤ1＞φＤ2として、それぞれの材料のＤＮ値で決まる強度限界の範囲内で上記Ｄ1、Ｄ2の寸法を決定する。
【００４１】
上記構成により高ＤＮ値を維持したままで、磁気軸受の通常の構成方法すなわちフロント側、リアー側とも渦電流損の大きな同一材料を用いた場合と比べて、渦電流損失による発熱を大幅に低減することができる。しかしスピンドルの静剛性には大きな影響を与えず、最外径のφＤ1とφＤ2を同一に構成した場合と比べて、ほぼ同等の静剛性を得ることができる。その理由は次のようである。加工用スピンドルがツールから受けるラジアル荷重は、二つのラジアル軸受によって配分されて支持される。てこの原理から明らかなように、リアー側のラジアル軸受が受けるラジアル荷重は、フロント側と比べて充分に小さい。したがってリアー側の軸受径：φＤ2を小さくしても、スピンドル本体の静剛性に与える影響は小さくてすむからである。
【００４２】
またリアー側の軸受径：φＤ2の径小化による慣性剛性の低下は、本発明では、モータ・ロータの外形：φＤmをφＤ1とφＤ2よりも大きくすることによって補うことができる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明を用いて磁気軸受スピンドルを構成すれば、主軸の温度分布と応力分布の軸非対称性が工具の振れに与える影響を僅少にすることができるため、磁気軸受の回転子に用いる磁性材料を広い範囲で選択できる。たとえば、磁気軸受の積層鉄心として用いられる電磁鋼板は、機械的強度と高周波鉄損の面で相矛盾する関係を持っている。しかし本発明を適用すれば、鉄損が少々大きくても遠心破壊強度に強い電磁鋼板を用いることができるため、主軸と工具の振れ精度を僅少に保ったままで、高ＤＮ値のスピンドルを実現できる。
【００４４】
本発明の適用により、磁気軸受スピンドルが本来持っている基本的能力（高速・高剛性）を一層活かした形で高速切削加工の要請に応えることができ、その効果は絶大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】温度と応力の分布の軸非対称性が工具先端に与える影響を示す図
【図２】熱、構造解析の一例を示す図
【図３】ツール先端の振れ量と等価温度差の関係を示す図
【図４】この発明にかかる実施例の磁気軸受スピンドルの正面断面図
【図５】磁石植え込みモータの原理図
【図６】本発明の他の実施例を示す図
【図７】本発明の他の実施例を示す図
【図８】従来の磁気軸受スピンドルを示す図
【符号の説明】
１ 回転軸
２ モータ部
３ モータ部
４ 第一のラジアル軸受け
５ 第一のラジアル軸受け
６ 第二のラジアル軸受け
７ 第二のラジアル軸受け
【発明の属する技術分野】
本発明は、生産加工機械等に用いられる磁気軸受スピンドルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年機械加工の分野において、高速切削加工に対する要請が強くなっている。高速切削は生産効率の向上が図れる、切削抵抗を低減できるため加工精度が向上し工具の寿命が延びる、また一体の原料から形状を一気に削り出すことで鋳型などの費用を削減できかつ工程の短縮化がはかれる、などの効果が期待されている。
【０００３】
また最近の製品品質に対する要求は、加工面の品質すなわち形状精度や面粗度だけでなく、加工表面下の欠陥や変質層の有無まで問われるようになってきており、金属除去に伴う発生熱の影響が低く、加工負荷が小さくできる高速切削の期待が大きい。
【０００４】
加工機の性能を決定的に支配するスピンドルには、従来から主に玉軸受による支持構造が用いられてきた。前述した高速切削の要請に対して、潤滑方式の改良、セラミックス軸受の採用などにより、高速化に応えるための開発がなされている。
【０００５】
一方、磁気浮上により非接触で回転体を支持する能動制御型の磁気軸受スピンドルが、玉軸受方式の限界を超える可能性を持つものとして、近年注目されている。
【０００６】
図８はその磁気軸受スピンドルの一例であり、５００はスピンドルの主軸、５０１はモータロータ、５０２はモータステータである。５０３と５０４はフロント側ラジアル軸受、５０５と５０６はリア側ラジアル軸受、５０７と５０８はスラスト軸受であり、それぞれ回転側のロータと固定側のステータから構成される。５０９，５１０はフロント側とリア側のラジアル変位センサー、５１１はスラスト変位センサー、５１２，５１３は保護ベアリング、５１４はケーシングである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
加工用スピンドルの基本性能は、通常ＤＮ値(主軸径×回転数)の大きさで評価される。玉軸受スピンドルの場合、近年様々な改良がなされているが、機械的な摺動潤滑をともなうために、寿命という点を考慮すれば、実用的にはＤＮ値は250万程度が限界とされている。
【０００８】
一方磁気軸受の場合、半永久的に使用可能である非接触回転の特徴を活かすことにより、玉軸受のＤＮ値を大きく上回るスピンドルが実現できる可能性がある。前述した加工側の高速・高剛性の要請に応えるために、スピンドルの主軸径をより大きく、またより高速で回転させる試みがなされている。大きな主軸径が要望される理由は、主軸径が大きい程、高速時の慣性剛性（主軸の軸中心が一方向を保とうとする力学的効果）が大きく、またより大きな外径の刃具を把持できるからである。
【０００９】
しかし非接触であるがゆえに低損失であると期待された磁気軸受は、高ＤＮ値を追求する取組みの結果、予想外の大きな摩擦損失が生じることが明らかとなった。その主たる要因は、ラジアル軸受の渦電流損によるものである。ラジアル軸受は上下左右の４方向から磁気の力で回転子を吸引して回転子を非接触で中心に保持する。回転子鉄心中の一点は、回転によってたとえばN→S→N→Sと順次に磁束が変化するために、回転子鉄心には変動する誘起起電力が生じて渦電流が流れることになる。この渦電流損を小さくするために、回転子鉄心は、通常薄い電磁鋼板（珪素鋼板）を重ねあわせた積層構造が採用される。
【００１０】
さて渦電流損は、一般に抵抗率に反比例し、鉄板の厚さの２乗に比例し、周波数（回転速度）の２乗に比例する。上記おおまかな原則を踏まえて、高ＤＮ値（大きな主軸径と高い回転数）のスピンドルの実現を見込み、磁気軸受の回転部を構成した場合、次のような課題が生じた。
【００１１】
▲１▼渦電流損を低減するために、抵抗率が高く、板厚の薄い電磁鋼板を採用した場合、遠心力によって発生する応力に対して、材料の機械的強度の限界から許容回転数に制約が生じた。遠心力によって発生する応力は、回転体の周速で決まるため、ＤＮ値にはおのずと限界が生ずる。
【００１２】
▲２▼逆により高い回転数にまで耐える、板厚が大きく抵抗率の低い電磁鋼板を採用した場合、大きな渦電流損による発熱によって主軸に大きな温度上昇をもたらした。
【００１３】
主軸に温度上昇をもたらす発熱の要因として、磁気軸受に加えてモータもそのひとつである。回転スピンドルに用いられる誘導モータは、通常スロットを打ち抜いた薄い珪素鋼板を積み重ねて鉄心を作り、そのスロットの中に銅またはアルミニウムの導体棒を通し、鉄心の外で前記導体棒の両端をエンドリング（端絡環）で短絡した構成になっている。誘導モータの回転原理にもとずき、固定子である界磁巻線に回転磁界が生ずると、前記エンドリングに誘導電流が流れる。この誘導電流によるジュール熱が発熱要因となる。
【００１４】
さて、これらの発熱による主軸の温度上昇は、高ＤＮ値のスピンドルの高速時の高精度回転化を図る上で、不可避な課題を提起することになった。その最大の課題は主軸の振れの増大である。たとえば、主軸径をφ９０、回転数を４〜５万回転に設定したとき、主軸に発生するラジアル方向の振れは数十ミクロンになった。主軸に装着される工具先端の振れは勿論この値を上回る。加工時の工具の振れは、びびり振動の要因となり、加工面精度を劣化させ、また工具寿命を著しく低下させる主要因となる。
【００１５】
本発明は、磁気軸受スピンドルの高速・高剛性化（高ＤＮ値化）を図るための課題に対して、解決策を与えるものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、回転軸と、前記回転軸の負荷側に設けられ、かつ、前記回転軸の軸径方向荷重を支持する第一のラジアル軸受と、前記負荷側に対して反対側に設けられた第二のラジアル軸受と、前記第一のラジアル軸受と前記第二のラジアル軸受との間に設けられたモータとで構成される磁気軸受スピンドルにおいて、前記第一と第二のラジアル軸受の回転部のそれぞれのロータ外径をＤ1、Ｄ2とし、かつ、前記モータのロータ外径をＤｍとしたとき、Ｄｍ＞Ｄ 1 ＞Ｄ 2 であることを特徴とするものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、まず最初に本発明に至るまでの考察について述べる。
二つのラジアル磁気軸受の回転部とその中間部に配置されるモータの回転部を発熱源として、高速回転時に主軸は温度上昇する。この温度上昇によって、主軸はある曲率をもって変形することが分かった。この変形をもたらす要因として、
▲１▼磁気軸受部、モータ部に積層された電磁鋼板の発熱量が非軸対称である。この非軸対称性は、磁性材料である積層鉄芯の磁気特性が製作時に熱的な変化を経るために、抵抗率、透磁率等の僅かなばらつきによって生ずるものと考えられる。
【００１８】
▲２▼また発熱量のばらつきを極力押さえたとしても、主軸の変形をもたらす次の要因がある。すなわち、磁気軸受、モータの回転子は多くの複合部品、すなわちモータ・磁気軸受の積層鉄芯とそれを側面から締結するリング、スラスト軸受の円盤、主軸内部を利用して設けられたツーリング部材等から構成される。これらの部材は、焼きばめ、圧入工程を経てスピンドルの主軸として組み立てられため、高速・高温下の苛酷な条件下において、これらの部品の熱膨張特性の温度依存性が軸非対称性を持つのは、実用上避けられない。
【００１９】
さて、主軸の軸方向に座標をとり、温度分布と応力分布の軸非対称性を持つ部分をＸとする。ここで上記Ｘが主軸の変形と工具の振れに与える影響は、Ｘが主軸のどの位置にあるかで大きく異なることに着目する。図１において、
（１）温度分布と応力分布の軸非対称性を持つ部分： Ｘがスピンドルのフロント側１００（第一のラジアル軸受）にあるとき、主軸１０１に曲がりをもたらす個所と工具１０２先端の間の距離：ｌ1は小さく、工具先端の振れに与える影響は図（イ）のごとく小さい。
【００２０】
（２）Ｘがスピンドルのリアー側１０３（第二のラジアル軸受）にあるとき、図（ロ）のごとく磁気軸受のギャップ内で主軸は曲がり、かつ曲げの変曲点を持つ。しかしスピンドルとして最も必要な機能（工具先端の振れ精度）にはなんら影響を与えない。軸受のギャップ内で主軸の曲がりが許されるのは、玉軸受（2点で固定支持）にはない磁気軸受スピンドルだけの特徴である。
【００２１】
（３）Ｘがスピンドルの中央部（モータ部）にあるとき、主軸に曲がりをもたらす個所と工具先端の間の距離：ｌ1は最も大きく、工具先端の振れに与える影響は図（ハ）のごとく大きい。
【００２２】
図２は、上記着眼点を熱・構造解析を用いて実証したものである。解析を行う上での仮定として、主軸の変形をもたらす推定要因、すなわち▲１▼磁気軸受、モータの円周方向温度分布、▲２▼複合部材による応力分布、▲３▼主軸本体の残留歪み、などの軸非対称の温度依存性を持つ要因：Ｘを「等価温度差：ΔT」で代表させる。解析条件は、φ９０×４２０ｍｍのストレートな主軸が、円周方向と軸方向の一定幅（４５゜×１００ｍｍ）の範囲で、円周方向で温度差：ΔTをもつとした。またツール先端は主軸端部から５０ｍｍの位置にあるものとする。図３は上記条件下における熱・構造解析の結果を示すものである。
【００２３】
（１）上記温度差を持つ部分が主軸のフロント側にあるとき、温度差：ΔTに対するツール先端の振れ：δは極めて小さい。
【００２４】
（２）温度差を持つ部分が主軸の中央部にあるとき、温度差：ΔTがツール先端の振れに与える影響は極めて大きく、上記（１）の5倍程度である。
【００２５】
以上の考察から得られた知見を要約すれば、▲１▼フロント側磁気軸受の発熱による要因：Ｘがたとえあったとしても、ツール先端の振れに与える影響は小さい、▲２▼主軸に曲がりをもたらす要因：Ｘの影響を低く押さえるためには、主軸の中央部（モータ部）の剛性を他の部分よりもアップさせる、ことがキーポイントであることがわかる。ちなみに、外径：φＤの丸棒の断面２次モーメント：I＝πＤ4／６４であり、軸の剛性は外径の４乗に比例するため、外径を僅かに大きくしても剛性アップに与える効果は大きい。
【００２６】
すなわち本発明では、前記第一と第二のラジアル軸受の回転部のそれぞれのロータ外径をＤ1、Ｄ2として、かつ前記モータのロータ外径をＤmとしたとき、Ｄm＞ Ｄ1とし、望ましくはさらにＤm＞Ｄ2とする。
【００２７】
図４は本発明の第一実施例の高速磁気軸受スピンドルを示すもので、１はスピンドルの主軸、２はモータロータ、３はモータステータである。４と５はフロント側ラジアル軸受（第一のラジアル軸受）のロータとステータ、６と７はリア側ラジアル軸受（第二のラジアル軸受）のロータとステータである。８と９はスラスト軸受のロータとステータである。１０，１１はフロント側とリア側のラジアル変位センサー、１２はスラスト変位センサー、１３，１４は保護ベアリング、１５はフロントプレート、１６はフロントケース、１７はリアーケース、１８はリアープレートである。主軸１は、フロント側ラジアル軸受のロータ４（外径：φＤ1）が装着されたフロント部１９、モータロータ２（外径：φＤm）が装着された中央部２０、リア側ラジアル軸受のロータ６（外径：φＤ2）が装着されたリアー部２１から構成される。
【００２８】
以下、本発明をベースとした他の実施例について述べる。
ラジアル軸受とモータの各ロータ部は、主軸に装着された磁性材料による積層鉄芯から構成されている。通常、この積層鉄芯は母体である主軸程は強度は期待できない。したがって、第一と第二のラジアル軸受及び前記モータのそれぞれの前記軸芯部の外径をｄ1、ｄ2、ｄmとしたとき、ｄm＞ｄ1およびｄm＞ｄ2とすれば、工具の振れはさらに低減できる。
【００２９】
たとえばＤＮ値が３６０〜４５０万の高速スピンドルの場合、磁気軸受、モータ共、その回転子を構成する材料は、遠心破壊に対してほぼ限界に近いところで使用される。通常用いられる誘導モータは、ロータ内部を貫通する導体棒を両サイドのエンドリングで保持する構成となっている。通常アルミあるいは銅で構成されるエンドリングには、高速時大きなせん断が加わるため、誘導モータの高速化の限界はこのエンドリングの遠心破壊強度で決まることが多い。
【００３０】
そこでモータは誘導モータではなく、ロータ部に永久磁石を有するＡＣサーボモータを用いれば、ロータ径：Ｄm（あるいはｄm）をさらに大きくできる。その理由はＡＣサーボモータでは、ロータ表面に貼り付けられた永久磁石の耐遠心破壊強度を高める公知の方法、たとえば（１）永久磁石ロータに強度のあるチタン合金のパイプを被せる、（２）カーボンファイバーなどの補強繊維でロータを被覆する、等の方法が採用できるからである。 ＡＣサーボモータで上記(1)、(2)が採用できる理由は、磁石の透磁率は空気と同程度であり、ロータとステータ間のエアーギャップが少々大きくなっても、誘導モータ程は効率に大きな影響を与えないからである。しかし誘導モータの場合、エアーギャップを大きくすれば、トルクはギャップの２乗に逆比例して極度に低下してしまうため、ロータの補強は難しくロータ径を大きくするのには限界がある。
【００３１】
ＡＣサーボモータに、ロータ内部に永久磁石を内蔵する公知の埋め込み磁石モータ（ＩＰＭモータ）用いれば、耐遠心破壊強度が向上するため、ロータ径をさらに大きくでき、非軸対称の熱応力に対して一層強い構造にできる。図５に埋め込み磁石モータの原理図を示す。３０はステータ、３１は埋め込み磁石、３２はロータである。この埋め込み磁石モータでは、前述したような（１）（２）のロータの補強策を施さなくてもよく、そのためロータ、ステータ間のエアーギャップの増大による効率低下もない。
【００３２】
本発明における永久磁石型モータの適用は、モータが配置される個所が熱・応力の軸非対称性がツールの振れに最も大きな影響を与えるところである、という知見を踏まえて、▲１▼パワーアップではなく、モータが配置される個所の剛性を大きくするために、モータの適性を活かしてモータロータ径を太くする、▲２▼ロータに誘導電流が流れないため、発熱と温度上昇そのものを小さくできるというメリットが得られる。すなわち、上記▲１▼×▲２▼の相乗効果が本発明の特徴である。
【００３３】
図６は、モータ・ステータのコイルエンドの内側が、通常無効な空間（使用できない空間）とされていることに注目して、この部分に補強用のリングを設けたものである。５１はモータのロータ、５２はステータ、５３ａ、５３ｂはコイルエンド、５４ａ、５４ｂはエンドリング，５５ａ，５５ｂは補強リング、５６は主軸、５７はハウジングである。モータに誘導モータを用いる場合、前記エンドリングには誘導電流を効率よく流すために、通常銅またはアルミ系の材料をもちいる。しかし前記補強リングには、機械的強度を重視して、鉄系材料を焼きばめまたは圧入等により主軸５６に装着すればよい。
【００３４】
またモータ・ステータの中心とコイルエンドの距離をＬ1、モータ・ロータの中心と補強リングの距離をＬ2、モータ・ロータの外径をＤm、補強リングの外径をＤEとして、Ｌ1≒ Ｌ2、 ＤE ≒Ｄmとすれば、最も効果的である。
【００３５】
図７は、ＡＣサーボモータを用いた場合にエンドリングを兼ねて、高強度材による補強リング６０ａ，６０ｂを設けた例である。 各部品の寸法：Ｌ1、 Ｌ2、ＤE、Ｄmの関係は図６の場合と同様である。
【００３６】
前記補強リングは、延性がありかつ前記主軸よりも熱膨張率の小さな材料を用いれば、高速・高温の条件下で主軸の変形を抑制する作用が得られる。
【００３７】
また磁気軸受スピンドルのフロント側とリアー側の電磁石を次のように構成することにより、発熱の総量を低減させ、主軸の温度上昇と熱変形をさらに抑制できる。
【００３８】
▲１▼フロント側の電磁石に用いる電磁鋼板には、渦電流損が大きいが機械的強度が高い磁性材料を用いる。
【００３９】
▲２▼リアー側の電磁石に用いる電磁鋼板には、機械的強度は低いが渦電流損も小さい磁性材料を用いる。
【００４０】
▲３▼φＤm＞φＤ1＞φＤ2として、それぞれの材料のＤＮ値で決まる強度限界の範囲内で上記Ｄ1、Ｄ2の寸法を決定する。
【００４１】
上記構成により高ＤＮ値を維持したままで、磁気軸受の通常の構成方法すなわちフロント側、リアー側とも渦電流損の大きな同一材料を用いた場合と比べて、渦電流損失による発熱を大幅に低減することができる。しかしスピンドルの静剛性には大きな影響を与えず、最外径のφＤ1とφＤ2を同一に構成した場合と比べて、ほぼ同等の静剛性を得ることができる。その理由は次のようである。加工用スピンドルがツールから受けるラジアル荷重は、二つのラジアル軸受によって配分されて支持される。てこの原理から明らかなように、リアー側のラジアル軸受が受けるラジアル荷重は、フロント側と比べて充分に小さい。したがってリアー側の軸受径：φＤ2を小さくしても、スピンドル本体の静剛性に与える影響は小さくてすむからである。
【００４２】
またリアー側の軸受径：φＤ2の径小化による慣性剛性の低下は、本発明では、モータ・ロータの外形：φＤmをφＤ1とφＤ2よりも大きくすることによって補うことができる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明を用いて磁気軸受スピンドルを構成すれば、主軸の温度分布と応力分布の軸非対称性が工具の振れに与える影響を僅少にすることができるため、磁気軸受の回転子に用いる磁性材料を広い範囲で選択できる。たとえば、磁気軸受の積層鉄心として用いられる電磁鋼板は、機械的強度と高周波鉄損の面で相矛盾する関係を持っている。しかし本発明を適用すれば、鉄損が少々大きくても遠心破壊強度に強い電磁鋼板を用いることができるため、主軸と工具の振れ精度を僅少に保ったままで、高ＤＮ値のスピンドルを実現できる。
【００４４】
本発明の適用により、磁気軸受スピンドルが本来持っている基本的能力（高速・高剛性）を一層活かした形で高速切削加工の要請に応えることができ、その効果は絶大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】温度と応力の分布の軸非対称性が工具先端に与える影響を示す図
【図２】熱、構造解析の一例を示す図
【図３】ツール先端の振れ量と等価温度差の関係を示す図
【図４】この発明にかかる実施例の磁気軸受スピンドルの正面断面図
【図５】磁石植え込みモータの原理図
【図６】本発明の他の実施例を示す図
【図７】本発明の他の実施例を示す図
【図８】従来の磁気軸受スピンドルを示す図
【符号の説明】
１ 回転軸
２ モータ部
３ モータ部
４ 第一のラジアル軸受け
５ 第一のラジアル軸受け
６ 第二のラジアル軸受け
７ 第二のラジアル軸受け
Claims (4)
- 回転軸と、前記回転軸の負荷側に設けられ、かつ、前記回転軸の軸径方向荷重を支持する第一のラジアル軸受と、前記負荷側に対して反対側に設けられた第二のラジアル軸受と、前記第一のラジアル軸受と前記第二のラジアル軸受との間に設けられたモータとで構成される磁気軸受スピンドルにおいて、
前記第一と第二のラジアル軸受の回転部のそれぞれのロータ外径をＤ1、Ｄ2とし、かつ、前記モータのロータ外径をＤｍとしたとき、Ｄｍ＞Ｄ 1 ＞Ｄ 2 であること
を特徴とする磁気軸受スピンドル。 - モータ部はロータ部に永久磁石を有するＡＣサーボモータであることを特徴とする請求項１に記載の磁気軸受スピンドル。
- 請求項１または２に記載の磁気軸受スピンドルが搭載されることを特徴とする加工機。
- 請求項１または２に記載の磁気軸受スピンドルを用いた加工方法。
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