JP6616232B2 - 固定子鉄心を有する回転電機、及びそれを備える工作機械 - Google Patents

Description

本発明は、固定子鉄心を有する回転電機及びこの回転電機を備える工作機械に関する。

固定子に鉄心を用いた電動機等の回転電機が公知である。回転電機は、一般的に、各部の位置関係のずれが小さくなるように組み立てられる。ところが、製造時の寸法誤差や組立誤差程度により、固定子と回転子との軸方向の組付けの位置関係や、回転軸に対する直角度等の組み付け精度が適切でないと、軸方向に力が発生する。また、組み付けの誤差の内容（方向、傾き方）によっては、周期的に軸を軸方向に動かす力が発生するといった問題が起きる。しかしながら、多くの回転電機の回転軸には、玉軸受等の支持剛性の高い軸受が用いられる。このため、回転軸を周期的に軸方向に動かす力に起因する変位の問題が顕在化することは少ない。即ち、回転軸が軸方向に多少変位しても、その変位の程度は支持剛性の高い軸受によって問題とならない程度の微小なものに留まる。このため、多くの回転電機の用途からすれば、変位の程度は現実的な影響を考慮するには到らないで済む。

しかしながら、軸受が非接触軸受、即ち、磁気軸受、圧縮空気、或いは、流体軸受け等である場合には、回転軸は、上述のように軸方向に発生する力によって、軸方向に変位したり、周期的な振動を起こしてしまうといった問題が顕在化する。
特に、軸方向の変位に対してフィードバックによる位置の復元機能を有しない受動型の軸受の場合には、軸方向の変位や周期的な振動が顕著に生じる。
また、精密加工の用途に適用される工作機械の主軸では、この主軸に接続される回転電機の回転軸に上述のような軸方向の変位が生じると、その程度が微小であっても加工精度を悪化させ、無視できない状況が生じる。

一方、非接触軸受を適用した回転電機であっても回転軸の軸方向位置の変位を極小にしようとする技術は、既に種々提案されている。
その一例として、回転軸の軸方向の変位を、スラスト磁気軸受におけるスラスト方向の変位に抗する磁力を生じさせるコイルにフィードバックして、回転軸を所定の軸方向位置に保持するようにした能動型の磁気軸受を用いる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
また、他の例として、受動型の磁気軸受におけるダンパの作用を強化した技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１４−１２６１７４号公報 特開２００８−１６９９６５号公報

特許文献１に開示された技術では、回転電機の回転軸に軸方向に変位させる力が作用しても、フォードバック制御によって既定範囲の軸方向位置に回転軸を保持させることができる。即ち、回転軸に軸方向の変位を与える力が外乱として作用しても、これによる変位が制御偏差となって閉ループでの制御が作用し、回転軸は既定範囲内の軸方向位置に留まる。しかしながら、このような軸受は構成が複雑で高価になるという問題がある。
一方、特許文献２に開示された技術では、フォードバック制御のような能動的な制御系を構成せず、ダンパの作用による減衰特性を利用して、軸方向に変位を与えようとする力とダンパの力との平衡点で安定させるものである。従って、この場合の平衡点は軸方向に変位を与えようとする力次第で変化する。このため、原理的に、回転軸は必ずしも既定範囲内の軸方向位置に留まるとは限らない。

本発明は上記のような状況に鑑みてなされたものであり、構成が簡単で安価でありながら、回転軸の軸方向位置（スラスト方向の位置）を高精度で既定位置に保持することが可能な回転電機及びこの回転電機を適用した工作機械を提供することを目的とする。

本明細書において「トルク発生区間」とは、当該回転電機の軸方向においてトルク発生部材が存在する区間を、トルク発生区間である。このトルク発生区間がトルク発生に主として寄与する区間であり、以下に参照する図面において象徴的に示される。
本発明に係る回転電機（例えば、後述の回転電機１００、２００、３００）は、固定子鉄心（例えば、後述する固定子鉄心２１）を有する固定子（例えば、後述する固定子２０）と、非接触軸受で支持される回転軸（例えば、後述する回転軸１）に支持された回転子（例えば、後述する回転子１０）とを含む回転電機であって、当該回転電機の軸方向においてトルク発生部材が存在する区間を、トルク発生区間、と定義するとき、前記固定子鉄心は、軸方向の一方及び他方の各端部（例えば、後述する軸方向の一方の端部２１１及び他方の端部２１２）が前記トルク発生区間（例えば、後述するトルク発生区間Ｓ１）の軸方向の一方及び他方の各端部（例えば、後述する一方の端部１１１及び他方の端部１１２）から軸方向外側に延出している。

前記固定子鉄心の軸方向の一方及び他方の各端部における前記回転子側のトルク発生区間の軸方向の一方及び他方の各端部からの軸方向外側への延出量は、当該回転電機の磁気ギャップ長（例えば、後述する磁気ギャップ長Ｌｇ）以上の長さであることは好ましい。

前記回転子は、前記トルク発生区間の軸方向の長さの中間位置が、前記固定子鉄心の、軸方向の長さの中間位置に軸方向位置として一致していることは好ましい。

前記軸受は、磁気軸受、流体軸受、又は、磁気軸受と流体軸受とによるハイブリッド型の軸受の何れかであってもよい。

前記磁気軸受、流体軸受、又は、磁気軸受と流体軸受とによるハイブリッド型の軸受の何れかの軸受は、受動型の軸受であってもよい。

前記の何れかの回転電機を備える工作機械。

本発明によれば、構成が簡単で安価でありながら、軸方向位置（スラスト方向の位置）を高精度で既定位置に保持することが可能な回転電機及びこの回転電機を適用した工作機械を具現することができる。

本発明の回転電機の一実施形態としての埋込磁石型同期電動機の概略構成を示す図である。 本発明の回転電機の他の実施形態としての表面磁石貼付型同期電動機の概略構成を示す図である。 本発明の回転電機の他の実施形態としての誘導電動機の概略構成を示す図である。 図１から図３の回転電機を回転軸を通る断面で見た端部の磁束線の様子を象徴的に表す模式図であり、特に、固定子鉄心の端部に対し回転子側のトルク発生区間の端部が固定子鉄心側にずれている場合を示す図である。 図１から図３の回転電機を回転軸を通る断面で見た端部の磁束線の様子を象徴的に表す模式図であり、特に、固定子鉄心の端部に対し回転子側のトルク発生区間の端部が固定子外側にずれている場合を想定して示す図である。 図１及び図２の回転電機の回転子側のトルク発生区間を説明する図であり、特に、固定子鉄心が十分に長く、トルク発生区間の軸方向の長さの中間位置が、固定子鉄心の軸方向の長さの中間位置に軸方向位置として一致している場合を示す図である。 図１及び図２の回転電機の回転子側のトルク発生区間を説明する図であり、特に、固定子鉄心が十分に長く、トルク発生区間の軸方向の長さの中間位置が、固定子鉄心の軸方向の長さの中間位置に一致していない場合を示す図である。 一般的な回転電機としての電動機の概略構成を示す図である。 一般的な回転電機を回転軸を通る断面で見た端部の磁束線の様子を象徴的に表す模式図であり、特に、固定子鉄心の端部と回転子側のトルク発生区間の端部が揃っている場合を示す図である。 一般的な回転電機を回転軸を通る断面で見た端部の磁束線の様子を象徴的に表す模式図であり、特に、固定子鉄心の長さと回転子側のトルク発生区間の長さが等しく、固定子鉄心の軸方向の中間位置が回転子側のトルク発生区間の軸方向の中間位置に軸方向位置として一致している場合を示す図である。 一般的な回転電機を回転軸を通る断面で見た端部の磁束線の様子を象徴的に表す模式図であり、特に、固定子鉄心の長さと回転子側のトルク発生区間の長さが等しく、固定子鉄心の軸方向の中間位置と回転子側のトルク発生区間の軸方向の中間位置とがずれている場合を示す図である。

以下、本発明の実施形態における回転電機について、適宜従来の一般的な回転電機との対比を行いつつ、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の回転電機の一実施形態としての埋込磁石型同期電動機の概略構成を示す図である。
尚、以下に説明する本発明の実施形態に適用される非接触軸受は、流体軸受もこれに該当する。即ち、流体軸受けは、流体という媒体によって支持されるため、厳密には媒体との接触があるが、玉軸受等の機械的な接触がある軸受との対比では、軸が流体によって浮上しており、この観点から非接触軸受の語は流体軸受を包摂する意で用いる。流体軸受に適用される媒体としては、空気、油、その他の粘性流体がある。これらの媒体を適用した流体軸受としては、空気静圧軸受、滑り軸受、或いは、油や空気などを媒体とした動圧軸受等がある。
埋込磁石型同期電動機１００は、両端側を図示しない非接触軸受によって支持された回転軸１によって回転子１０が支持されている。回転子１０を囲むように固定子２０が設けられている。この固定子２０は、例えば電磁鋼板の薄板を積層してなる固定子鉄心２１を有し、ハウジング２２に組み込まれている。固定子鉄心２１にはコイル２３が巻回されている。図１の視座では固定子鉄心２１に巻回されたコイル２３は、そのコイルエンド２３ａが視認される。

固定子２０からは、コイル２３に電気的に接続された配線（不図示）が引き出され、この配線がハウジング２２に設けられた貫通孔を介して、埋込磁石型同期電動機１００の外部に設置された電源（不図示）に接続される。これにより電源からコイル２３に作動用電力が供給される。

回転子１０は、その回転部材である回転子鉄心１１が回転軸１に絞り嵌め等によって十分な保持力を有する程度に嵌め合わされている。回転子鉄心１１には、少なくとも周方向に複数に分割された磁石セグメントでなる永久磁石Ｍが磁石スロット（不図示）に埋め込まれて保持されている。

図１の埋込磁石型同期電動機１００の場合、回転子１０において、永久磁石Ｍが埋め込まれた軸方向の区間がトルク発生に主として寄与する区間であり、この区間がトルク発生区間Ｓ１である。

図１より容易に理解される通り、埋込磁石型同期電動機１００では、固定子鉄心２１は、軸方向の一方の端部２１１及び他方の端部２１２が回転子１０側のトルク発生区間Ｓ１の軸方向の一方の端部１１１及び他方の端部１１２から軸方向外側に延出している。

この場合、後に図面を参照して説明するように、固定子鉄心２１の軸方向の一方の端部２１１及び他方の端部２１２における回転子１０側のトルク発生区間Ｓ１の軸方向の一方の端部１１１及び他方の端部１１２からの軸方向外側への延出量は、埋込磁石型同期電動機１００の磁気ギャップ長Ｌｇ以上の長さである。

更に、回転子１０は、トルク発生区間Ｓ１の軸方向の長さの中間位置（中央位置）が、固定子鉄心２１の、軸方向の長さの中間位置（中央位置）に、軸方向位置として一致している。

この、埋込磁石型同期電動機１００では、回転軸１の両端の非接触軸受は、磁気軸受、流体軸受、又は、磁気軸受と流体軸受とによるハイブリッド型の軸受の何れかであってよい。
また、特に、これらの非接触軸受は受動型の軸受であってよい。
以上、図１を参照して説明した本発明の回転電機の一実施形態としての埋込磁石型同期電動機１００では、後に図７から図１１を参照して説明するように、回転軸１の軸方向の変位が抑制され、軸方向位置が正規の位置に安定的に維持される。

次に、図２を参照して本発明の回転電機の他の実施形態としての表面磁石貼付型同期電動機について説明する。
図２は、本発明の回転電機の他の実施形態としての表面磁石貼付型同期電動機の概略構成を示す図である。
図２において図１との対応部は同一の符号を附して示し、これら対応部の個々の説明は省略する。図２を図１と対照して容易に理解されるとおり、固定子２０については図１の埋込磁石型同期電動機１００と変わりがない。
図２の表面磁石貼付型同期電動機２００における、図１を参照して既述の埋込磁石型同期電動機１００との相違は、埋込磁石型同期電動機１００の回転子１０が永久磁石Ｍを回転子鉄心１１に埋設固定していたのに対し、表面磁石貼付型同期電動機２００では永久磁石Ｍをロータリースリーブ１２によって回転軸１に固定している点である。
即ち、図２の表面磁石貼付型同期電動機２００では、磁性体の金属材料でなる筒状のロータリースリーブ１２を環状の永久磁石Ｍと回転軸１との間に圧入して永久磁石Ｍを回転軸１の外周に強固に保持している。但し、図示のような筒状のロータリースリーブ１２を用いることは必須ではなく、このようなロータリースリーブ１２を用いずに永久磁石Ｍを回転軸１の外周に貼着してもよい。

図２の表面磁石貼付型同期電動機２００の場合、回転子１０ａにおいて、永久磁石Ｍが設けられた軸方向の区間がトルク発生に主として寄与する区間であり、この区間がトルク発生区間Ｓ２である。

図２より容易に理解される通り、表面磁石貼付型同期電動機２００では、固定子鉄心２１は、軸方向の一方の端部２１１及び他方の端部２１２が回転子１０ａ側のトルク発生区間Ｓ２の軸方向の一方の端部１１３及び他方の端部１１４から軸方向外側に延出している。

この場合、後に図面を参照して説明するように、固定子鉄心２１の軸方向の一方の端部２１１及び他方の端部２１２における回転子１０ａ側のトルク発生区間Ｓ２の軸方向の一方の端部１１３及び他方の端部１１４から軸方向への延出量は、表面磁石貼付型同期電動機２００の磁気ギャップ長Ｌｇ以上の長さである。

更に、回転子１０ａは、トルク発生区間Ｓ２の軸方向の長さの中間位置（中央位置）が、固定子鉄心２１の、軸方向の長さの中間位置（中央位置）に、軸方向位置として一致している。

この、表面磁石貼付型同期電動機２００では、回転軸１の両端の非接触軸受は、磁気軸受、流体軸受、又は、磁気軸受と流体軸受とによるハイブリッド型の軸受の何れかであってよい。
また、特に、これらの非接触軸受は受動型の軸受であってよい。
以上、図２を参照して説明した本発明の回転電機の一実施形態としての表面磁石貼付型同期電動機２００では、後に図７から図１１を参照して説明するように、回転軸１の軸方向の変位が抑制され、軸方向位置が正規の位置に安定的に維持される。

次に、図３を参照して本発明の回転電機の他の実施形態としての誘導電動機について説明する。
図３は、本発明の回転電機の他の実施形態としての誘導電動機の概略構成を示す図である。
図３において図１及び図２との対応部は同一の符号を附して示し、これら対応部の個々の説明は省略する。図３を図１及び図２と対照して容易に理解されるとおり、誘導電動機３００の場合も、固定子２０については図１の埋込磁石型同期電動機１００や図２の表面磁石貼付型同期電動機２００の場合と変わりがない。
図３の誘導電動機３００における、既述の図１の埋込磁石型同期電動機１００や図２の表面磁石貼付型同期電動機２００との相違は、回転子１０ｂが軸方向両端部にエンドリング（短絡環）１４を有する回転子鉄心１３である点である。

図３の誘導電動機３００の場合、回転子１０ｂにおいて、回転子鉄心１３が設けられた軸方向の区間がトルク発生に主として寄与する区間であり、この区間がトルク発生区間Ｓ３である。

図３より容易に理解される通り、誘導電動機３００では、固定子鉄心２１は、軸方向の一方の端部２１１及び他方の端部２１２が回転子１０ｂ側のトルク発生区間Ｓ３の軸方向の一方の端部１１５及び他方の端部１１６から軸方向外側に延出している。

この場合、後に図面を参照して説明するように、固定子鉄心２１の軸方向の一方の端部２１１及び他方の端部２１２における回転子１０ｂ側のトルク発生区間Ｓ３の軸方向の一方の端部１１５及び他方の端部１１６から軸方向外側への延出量は、誘導電動機３００の磁気ギャップ長Ｌｇ以上の長さである。

更に、回転子１０ｂは、トルク発生区間Ｓ３の軸方向の長さの中間位置（中央位置）が、固定子鉄心２１の、軸方向の長さの中間位置（中央位置）に、軸方向位置として一致している。

この、誘導電動機３００では、回転軸１の両端の非接触軸受は、磁気軸受、流体軸受、又は、磁気軸受と流体軸受とによるハイブリッド型の軸受の何れかであってよい。
また、特に、これらの非接触軸受は受動型の軸受であってよい。
以上、図３を参照して説明した本発明の回転電機の一実施形態としての誘導電動機３００では、後に図７から図１１を参照して説明するように、回転軸１の軸方向の変位が抑制され、軸方向位置が正規の位置に安定的に維持される。
また、図１の埋込磁石型同期電動機１００、図２の表面磁石貼付型同期電動機２００、図３の誘導電動機３００の何れの回転電機も、工作機械の駆動用に適用して、全体として、高精度で安価な工作機械を構成することができる。

以上、図１から図３を参照して説明した本発明の回転電機の作用について説明するに先立って、図８を参照して、本発明の回転電機と対比される一般的な回転電機について説明する。
図８は、一般的な回転電機としての電動機の概略構成を示す図である。
ここでは、一般的な回転電機として表面磁石貼付型同期電動機を代表的に示すが、注目する箇所については、埋込磁石型同期電動機である場合や誘導電動機である場合においても同様な現象を呈する。
表面磁石貼付型同期電動機８００は、両端側を図示しない非接触軸受によって支持された回転軸１によって回転子１０ａが支持されている。回転子１０ａを囲むように固定子２０が設けられている。この固定子２０は、例えば電磁鋼板の薄板を積層してなる固定子鉄心２１を有し、ハウジング２２に組み込まれている。固定子鉄心２１にはコイル２３が巻回されている。図１の視座では固定子鉄心２１に巻回されたコイル２３は、そのコイルエンド２３ａが視認される。

図８の表面磁石貼付型同期電動機８００では、磁性体の金属材料でなる筒状のロータリースリーブ１２を環状の永久磁石Ｍと回転軸１との間に圧入して永久磁石Ｍを回転軸１の外周に強固に保持している。

図８の表面磁石貼付型同期電動機８００の場合、回転子１０ａにおいて、永久磁石Ｍが設けられた軸方向の区間がトルク発生に主として寄与する区間であり、この区間がトルク発生区間Ｓ８である。

図８より容易に理解される通り、表面磁石貼付型同期電動機８００では、固定子鉄心２１は、軸方向の一方の端部２１１及び他方の端部２１２が、回転子１０ａ側のトルク発生区間Ｓ２の軸方向の一方の端部１１３ａ及び他方の端部１１４ａと軸方向位置が略一致している。

図８の表面磁石貼付型同期電動機８００を代表として示す一般的な回転電機の場合、既に簡単に説明したような問題が発生するおそれがある。これらの問題について図８を参照して更に具体的に説明する。

一般に、回転電機の固定子鉄心の軸方向の長さと、回転子のトルク発生区間の軸方向の長さは、図８の表面磁石貼付型同期電動機８００の如く同じ長さで設計されている。
尚、敢えて細目に触れるなら、上述のように同じ長さで設計するとはいえ、製造時の全長の誤差（寸法公差）を吸収する程度の長さの違いを設ける場合はあり得る。この場合には、回転子又は固定子化の何れかについて、全長の誤差（寸法公差）を吸収する程度に長く作られるが、あくまでも寸法公差を吸収する限度内のものである。これは、本発明の技術思想における上述のような固定子鉄心とトルク発生区間との軸方向の長さの相違とは、構成（相違の程度）・作用・効果の何れの点でも根本的に別異のものである。

図８の表面磁石貼付型同期電動機８００の場合、回転子には鉄心を有さず、トルク発生区間Ｓ８とは、回転子表面上の、磁石が配置された軸方向区間である。磁石を有する同期電動機の場合には、常時磁束が生じているため、固定子鉄心と回転子鉄心との両鉄心の端部においては、常に、軸方向にも力が発生している。

ここで図９、図１０及び図１１を参照して、固定子鉄心と回転子鉄心との両鉄心の端部において作用する軸方向の力について説明する。
図９は、図８の表面磁石貼付型同期電動機８００をその一例とする一般的な回転電機を回転軸を通る断面で見た端部の磁束線の様子を象徴的に表す模式図であり、特に、固定子鉄心の端部と回転子側のトルク発生区間の端部が揃っている場合を示す図である。
図１０は、図８の表面磁石貼付型同期電動機８００をその一例とする一般的な回転電機を回転軸を通る断面で見た端部の磁束線の様子を象徴的に表す模式図であり、特に、固定子鉄心の長さと回転子側のトルク発生区間の長さが等しく、固定子鉄心の軸方向の中間位置が、回転子側のトルク発生区間の軸方向の中間位置に軸方向位置として一致している場合を示す図である。
図１１は、図８の表面磁石貼付型同期電動機８００をその一例とする一般的な回転電機を回転軸を通る断面で見た端部の磁束線の様子を象徴的に表す模式図であり、特に、固定子鉄心の長さと回転子側のトルク発生区間の長さが等しく、固定子鉄心の軸方向の中間位置と回転子側のトルク発生区間の軸方向の中間位置とがずれている場合を示す図である。

図９、図１０及び図１１において、既述の図８との対応部は同一の符号によって示されている。
図９、図１０及び図１１では、図８の表面磁石貼付型同期電動機８００における符号を便宜的に用い、図９では、固定子鉄心の軸方向の一方の端部２１１及び回転子１０ａの一方の端部１１３ａ（従って、磁石Ｍの一方の端部）を図示しているが、軸方向の他方の端部については、図１０及び図１１に示されている。
また、図１０及び図１１における回転子側のトルク発生区間Ｓ１０は、図８におけるトルク発生区間Ｓ８に相応するが、ここでは、表面磁石貼付型同期電動機８００における場合のみならず、図示しない一般的な埋込磁石型同期電動機である場合や誘導電動機である場合についても同様の現象を説明する便宜上、トルク発生区間を代表的にＳ１０と表記している。

図９、図１０及び図１１において、固定子鉄心２１の内周面に磁気ギャップ長Ｌｇの磁気ギャップを隔てて回転子１０ａの外周面が近接対向している。磁気ギャップにおいて磁束線が破線図示されている。

磁束線は、同方向に向かうもの同士は相互に反発し合い、間隔を空けようとする斥力を及ぼす性質を持つ。従って、磁石Ｍの片方から発せられた磁束線は、空間に向かって相互の間隔を拡大しながら発散してゆく。

一方で、磁束線は、磁束線を発する磁性体と、行き着く先の磁性体との根本同士を、常時最短距離に縮めようとする吸引力を及ぼす性質を持つ。

磁束線を発生及び収容する磁性体の磁気抵抗等の磁気的性質が一様で、磁界の強さも一様な場合には、磁性体の表面に現れる磁束線の根元は等間隔に並ぶ性質を持つ。即ち、磁性体の表面での磁束密度が一様になる。

磁束線に関する以上の性質を踏まえて図９、図１０及び図１１を参照すると、磁気ギャップ内では、軸方向の両端よりも内部において、軸方向の両端からの作用が及ばず、磁束線は等間隔で並んでいる。
一方、上述の吸引力が作用するが、固定子鉄心２１と回転子１０ａ（図８の例では磁石Ｍ）とは吸引力の方向には動かないように支持されているため、両者が当接することはない。
コイル２３に通電されると、磁束線が紙面に垂直な方向にねじれることにより、上述の吸引力によるトルクが発生する。
この場合、固定子鉄心の軸方向の一方の端部２１１及び回転子１０ａの一方の端部１１３ａでは磁束線が相互の斥力によって外側に膨らむ傾向を呈する。この傾向は他方の端部についても同様であるため（図１０参照）、両端部間での磁束線の均衡は破られず、軸方向に力が生じない。従って、上述の吸引力によるラジアル方向の力のみが生じている。

ここで、仮に、図１１のように、両鉄心の端部の軸方向位置が互いにずれている場合、そのずれを解消し端部位置が揃う方向に、軸方向に力が発生している。
即ち、両鉄心の軸方向全長が同じで、軸方向に互いにずれている場合には、両者の軸方向位置が揃う方向に、軸方向には常時力が作用している。

また、埋込磁石型同期電動機の場合にも、誘導電動機と同様に、回転子にも鉄心を有し、この回転子におけるトルク発生区間は、回転子鉄心の全長にわたる区間に等しい。
既述のように、磁石を有する同期電動機の場合には、常時磁束が生じているため、固定子鉄心と回転子鉄心との両鉄心の端部においては、常に、軸方向にも力が発生している。
このため、仮に、両鉄心の端部の軸方向位置が互いにずれている場合、そのずれを解消し端部位置が揃う方向に、軸方向に力が発生している。
即ち、両鉄心の軸方向全長が同じで、軸方向に互いにずれている場合には、両者の軸方向位置が揃う向きに、軸方向には常時力が作用している。

更に、誘導電動機の場合、回転子にも鉄心を有し、既述のトルク発生区間は即ち回転子鉄心の軸方向の長さに等しい。トルク発生時には、固定子鉄心と回転子鉄心との間で、回転方向に磁気吸引力が発生することで、トルクが発生している。
このとき同時に、両鉄心の端部においては、仮に、端部の軸方向位置が互いにずれている場合、そのずれを解消し端部位置が揃う方向に、軸方向にも力が発生している。
即ち、両鉄心の軸方向の全長が同じで、軸方向に互いにずれている場合には、両者の軸方向位置が揃う方向に、軸方向に力が作用する。ただし、誘導電動機の場合、この力は、誘導電動機がトルクを発生しているときのみに発生する。

上述のように、表面磁石貼付型同期電動機、埋込磁石型同期電動機、及び、誘導電動機の何れにおいても、固定子の端部やトルク発生区間の端部が、製造時の組立誤差などによって回転軸に対して多少の傾きを持つ場合、既述のように軸方向のずれを戻そうとする力は、回転時に強弱を繰り返し変動することになる。従って、この力の変動が回転軸の軸方向の微小な振動を生じさせる。

既述のように、精密加工の用途に適用される工作機械の主軸では、この主軸に接続される回転電機の回転軸に上述のような軸方向の振動が伝播すると、その程度が微小であっても加工精度を悪化させ、無視できない状況が生じる。
即ち、このような軸方向の軸の動きが、加工精度に影響を与えるため好ましくない。また特に、非接触軸受、磁気軸受や流体軸受けなどでは、支持剛性が低いため問題が特に顕著に現れやすい。更に、回転軸の軸受として、軸方向位置に関する位置決め機能を有しない受動的な軸受を適用した場合では、問題は顕著になる。

一般的な回転電機では上述のような問題を生じるおそれがあるが、これに対して、本発明の回転電機では、これらの問題に対して十全な解決がはかられている。
次に、図１、図２及び図３の、本発明の実施形態としての回転電機の作用について、図４、図５、図６及び図７を参照して逐次説明する。

図４は、図１から図３の回転電機を回転軸を通る断面で見た端部の磁束線の様子を象徴的に表す模式図であり、特に、固定子鉄心の端部に対し回転子側のトルク発生区間の端部が固定子鉄心側にずれている場合を示す図である。
図５は、図１から図３の回転電機を回転軸を通る断面で見た端部の磁束線の様子を象徴的に表す模式図であり、特に、固定子鉄心の端部に対し回転子側のトルク発生区間の端部が固定子外側にずれている場合を示す図である。

図４及び図５において、既述の図１、図２及び図３との対応部は同一の符号によって示されている。但し、図４及び図５では、図１の埋込磁石型同期電動機、図２の表面磁石貼付型同期電動機、及び、図３の誘導電動機について共通に説明するために、便宜上、細部の形状等を適宜省略し或いは敢えて象徴的な描き方を採り、且つ、大部分の符号については図１に対応するものを附している。

図４は、固定子鉄心２１の他方の端部２１２に対し回転子１０側のトルク発生区間の端部（この例では、回転子鉄心１１他方の他端部１１２）、が固定子鉄心２１側にずれている場合を示している。このとき、固定子鉄心２１とこれに対向する回転子１０側のトルク発生区間（回転子鉄心１１、磁石Ｍ）との間の磁気ギャップ長Ｌｇの磁気ギャップ内では、軸方向の両端よりも内部において、軸方向の両端からの作用が及ばず、磁束線は等間隔で並んでいる。
一方、磁束線には既述の吸引力を及ぼすが、固定子鉄心２１と回転子１０（図１の例では回転子鉄心１１、図２の例では永久磁石Ｍ）とは吸引力の方向には動かないように支持されているため、両者が当接することはない。
コイル２３に通電されると、磁束線が紙面に垂直な方向にねじれることにより、既述の吸引力によるトルクが発生する。
ここで、固定子鉄心２１の軸方向の一方の端部２１１及び他方の端部２１２における、回転子１０側のトルク発生区間Ｓ１の軸方向の一方の端部１１１及び他方の端部１１２からの軸方向外側への延出量と磁気ギャップ長Ｌｇとの関係について説明する。
即ち、図１の埋込磁石型同期電動機１００の場合、既述のように、固定子鉄心２１の軸方向の一方の端部２１１及び他方の端部２１２における、回転子１０側のトルク発生区間Ｓ１の軸方向の一方の端部１１１及び他方の端部１１２からの軸方向外側への延出量は、埋込磁石型同期電動機１００の磁気ギャップ長Ｌｇ以上の長さである。固定子鉄心２１の軸方向の一方の端部２１１及び他方の端部２１２におけるこのような軸方向外側への延出量は、図２の表面磁石貼付型同期電動機２００及び図３の誘導電動機３００の何れの場合についても同様である。

本実施形態の回転電機１００では、固定子鉄心２１は、軸方向の一方の端部２１１及び他方の端部２１２が回転子１０側のトルク発生区間Ｓ１の軸方向の一方の端部１１１及び他方の端部１１２から軸方向外側に延出している。従って、図４に表された端部で見ると、回転子１０の他方の端部１１２では磁束線に傾きが生じる。この傾きが生じると、磁束線による既述の吸引力を及ぼす性質から、回転子１０に軸方向の力が作用する。この力は、上記の傾きの方向の力Ｆｄがその軸方向成分Ｆａと軸方向に直交する方向の成分Ｆｐに分解されるときの、軸方向成分Ｆａに相当する。この現象は、図４では表されていない一端部２１１において同様に生じる。
従って、固定子鉄心２１の、軸方向の一方の端部２１１及び他方の端部２１２と、これに対応する回転子１０側のトルク発生区間Ｓ１の軸方向の一方の端部１１１及び他方の端部１１２との間に、上述の力Ｆｄの軸方向成分Ｆａ（−Ｆａ）が作用する。このため、力の成分Ｆａと−Ｆａとの力平衡により回転子１０と相対位置が固定された回転軸１の軸方向位置が正規の位置に安定的に維持される。換言すれば、軸１及び回転子１０の端部の軸方向位置に関する位置ずれが解消される方向の力が常時作用する。

図５は、固定子鉄心２１の一方の端部２１１に対し回転子１０側のトルク発生区間の端部（この例では、回転子鉄心１１の一端部１１１）が固定子外側にずれている場合を想定して示す図である。このとき、固定子鉄心２１とこれに対向する回転子１０側のトルク発生区間（回転子鉄心１１、磁石Ｍ）との間の磁気ギャップ長Ｌｇの磁気ギャップ内では、軸方向の両端よりも内部において、軸方向の両端からの作用が及ばず、磁束線は等間隔で並んでいる。
一方、磁束線には既述の吸引力が作用するが、固定子鉄心２１と回転子１０（図１の例では回転子鉄心１１、図２の例では永久磁石Ｍ）とは吸引力の方向には動かないように支持されているため、両者が当接することはない。
コイル２３に通電されると、磁束線が紙面に垂直な方向にねじれることにより、既述の吸引力によるトルクが発生する。

図５における想定では、固定子鉄心２１は、軸方向の一方の端部２１１が回転子１０側のトルク発生区間Ｓ１の軸方向の一方の端部１１１から軸方向に後退している。従って、図５に表された端部で見ると、回転子１０の一方の端部１１１では磁束線に傾きが生じる。この傾きが生じると、磁束線による既述の吸引力を及ぼす性質から、回転子１０に軸方向の力が作用する。この力は、上記の傾きの方向の力Ｆｄがその軸方向成分Ｆａと軸方向に直交する方向の成分Ｆｐに分解されるときの、軸方向成分Ｆａに相当する。この現象は、図５では表されていない他端部２１２において、固定子鉄心２１が回転子１０側のトルク発生区間Ｓ１の軸方向の他方の端部１１２から軸方向に一方の端部２１１と同様に後退している場合には、同様に生じる。
従って、固定子鉄心２１の、軸方向の一方の端部２１１及び他方の端部２１２と、これに対応する回転子１０側のトルク発生区間Ｓ１の軸方向の一方の端部１１１及び他方の端部１１２との間に、上述の力Ｆｄの軸方向成分Ｆａ（−Ｆａ）が作用する。このため、力の成分Ｆａと−Ｆａとの力平衡により回転子１０と相対位置が固定された回転軸１の軸方向位置が正規の位置に安定的に維持される。

しかしながら、固定子鉄心２１が、軸方向の一方の端部２１１が回転子１０側のトルク発生区間Ｓ１の軸方向の一方の端部１１１から軸方向に後退している一方、他方の端部１１２側が上述のように後退していない場合には、既述の力Ｆｄの軸方向成分Ｆａが回転子１０に、従って、これと相対位置が固定されている回転軸１に常時作用することになる。
即ち、回転軸１及び回転子１０には、固定子鉄心２１側に常時引き込まれる力が作用することになる。

次に、図６及び図７を参照して、図１及び図２の回転電機の回転子側のトルク発生区間について説明する。
図６は、図１及び図２の回転電機の回転子側のトルク発生区間を説明する図であり、特に、固定子鉄心が十分に長く、トルク発生区間の軸方向の長さの中間位置が、固定子鉄心の軸方向の長さの中間位置に軸方向位置として一致している場合を示す図である。
図７は、図１及び図２の回転電機の回転子側のトルク発生区間を説明する図であり、特に、固定子鉄心が十分に長く、トルク発生区間の軸方向の長さの中間位置が、固定子鉄心の軸方向の長さの中間位置に一致していない場合を示す図である。
図６及び図７において、既述の図１及び図２との対応部は同一の符号によって示されている。但し、図６及び図７では、図１の埋込磁石型同期電動機、及び、図２の表面磁石貼付型同期電動機について共通に説明するために、便宜上、形状等を適宜省略し或いは敢えて象徴的な描き方を採り、且つ、大部分の符号については図１に対応するものを附している。

図６における回転電機は、図１を参照して既述の埋込磁石型同期電動機１００や図２を参照して既述の表面磁石貼付型同期電動機２００がこれに相当する。図６における回転電機のトルク発生区間Ｓ６は、埋込磁石型同期電動機１００の場合は図１を参照して既述のトルク発生区間Ｓ１がこれに相当し、表面磁石貼付型同期電動機２００の場合は図２を参照して既述のトルク発生区間Ｓ２がこれに相当する。
即ち、図６における回転電機のトルク発生区間Ｓ６は、軸方向の長さの中間位置（中央位置）が、固定子鉄心２１の、軸方向の長さの中間位置（中央位置）に軸方向位置として一致している。

このため、既述の磁束線による吸引力が回転子１０側の両端部で、大きさが等しく向きが反対になるように作用する。従って、回転子１０及びこれと相対位置が固定されている回転軸１には、これに作用する軸方向の力の大きさが均衡し、逆方向に作用することから相殺されて、結果的に作用しなくなる。
併せて、固定子鉄心２１の端部２１１、２１２や、回転子１０側の端部１１１、１１２の組立精度による傾きや、磁石Ｍの凹凸があっても、これらに起因する既述のような軸方向の微小振動も抑制される。これは、固定子２０（その固定子鉄心２１）が十分に長い場合には、既述の吸引力を生ぜしめる磁束線の長さが長くなって、微小変位に起因する軸方向に作用する力の変動率が小さくなるためである。

図７の回転電機は、図６を参照して説明した回転電機のようには軸方向の微小振動等が抑制できない場合について説明するために仮定したものである。
図７の回転電機のトルク発生区間Ｓ７は、軸方向の長さの中間位置（中央位置）が、固定子鉄心２１の、軸方向の長さの中間位置（中央位置）に一致せず、図７の視座で左側に偏っている。

このため、既述の磁束線による吸引力が回転子１０側の左側端部に作用する力の大きさが、回転子１０側の右側端部に作用する力のきさよりも小さくなる。これは、回転子１０側の左側端部に作用する磁束線の方が、回転子１０側の右側端部に作用する磁束線よりも本数が少なく、長さも短かくなるためである。
従って、回転子１０及びこれと相対位置が固定されている回転軸１には、これに作用する軸方向の力の大きさは、右側の方が相対的に大きくなり、回転子１０及び回転軸１には常時右側に変位させようとする力が作用することになる。
併せて、固定子鉄心２１の端部２１１、２１２や、回転子１０側の端部１１１、１１２の組立精度による傾きや、磁石Ｍの凹凸があると、これらに起因する既述のような軸方向の微小振動が発生してしまう。この振動の振幅は回転子（そのトルク発生区間Ｓ７）の軸方向の長さの中間位置（中央位置）が、固定子鉄心２１の、軸方向の長さの中間位置（中央位置）に対してずれている程度に依存する。

本発明の実施形態としての回転電機は、上述のような構成を有し、既述の作用・効果を奏する。即ち、磁束線により常時作用する力によって、回転軸はその軸方向位置が常時維持される。このため、これらの回転電機には非接触軸受が適用されても、回転軸の軸方向の振動が生じ難い。従って、軸受部分の摩擦が極小となり、起動の応答性が高く高速回転にも適し、摩耗もないため耐久性に優れるといった非接触軸受の利点が十全に活きる。
尚、この非接触軸受は、磁気軸受、流体軸受、又は、磁気軸受と流体軸受とによるハイブリッド型の軸受等であってよい。
更に、これら磁気軸受、流体軸受、又は、磁気軸受と流体軸受とによるハイブリッド型の軸受は受動型の軸受であってよい。
本発明の回転電機を適用して工作機械を構成すれば、回転電機に関する既述のような利点が十分に活かされて、加工精度に関する能力の高い工作機械が具現される。
以上を総じて、本発明の回転電機は構成が極めて簡単であり、既述の利点を有しながら、製作が容易で安価である。

尚、本発明は既述の実施形態に限定されるものではなく、種々、変形変更して実施可能であり、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良も本発明に包摂される。

１ 回転軸
１０ 回転子
２０ 固定子
１００ 埋込磁石型同期電動機
１１１ 一方の端部
１１２ 他方の端部
２００ 表面磁石貼付型同期電動機
２１１ 一方の端部
２１２ 他方の端部
３００ 誘導電動機
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３ トルク発生区間

Claims (4)

1. 主軸と、前記主軸に自己の回転軸が接続される回転電機と、を備える工作機械であって、
   前記回転電機は、
   固定子鉄心を有する固定子と、非接触軸受で支持される前記回転軸に支持された回転子とを含み、
   前記非接触軸受は、磁気軸受、流体軸受、又は、磁気軸受と流体軸受とによるハイブリッド型の軸受の何れかであり、
   当該回転電機の軸方向においてトルク発生部材が存在する区間を、トルク発生区間、と定義するとき、
   前記固定子鉄心は、軸方向の一方及び他方の各端部が前記トルク発生区間の軸方向の一方及び他方の各端部から軸方向外側に延出しており、
   当該延出の程度は、前記固定子鉄心の軸方向の一方の端部と前記トルク発生区間の軸方向の一方の端部との間で前記固定子が励磁されて生じる磁束線による吸引力の軸方向の成分である第１吸引力と、前記固定子鉄心の軸方向の他方の端部と前記トルク発生区間の軸方向の他方の端部との間で前記固定子が励磁されて生じる磁束線による吸引力の軸方向の成分である第２吸引力とが、大きさが等しく向きが逆となる程度である、
   工作機械。
2. 前記固定子鉄心の軸方向の一方及び他方の各端部における前記トルク発生区間の軸方向の一方及び他方の各端部からの軸方向外側への延出量は、当該回転電機の磁気ギャップ長以上の長さである、請求項１に記載の工作機械。
3. 前記回転子は、前記トルク発生区間の軸方向の長さの中間位置が、前記固定子鉄心の、軸方向の長さの中間位置に軸方向位置として一致している、請求項１又は２に記載の工作機械。
4. 前記軸受は、受動型の軸受である、請求項１から３の何れか一項に記載の工作機械。

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