JPH08149775A - スピンドル装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高速回転時の鉄損を低減させることができる
スピンドル装置を提供する。 【構成】 固定子鉄心４４の、巻線が巻装されるポール
部４８は、その先端の鉄心歯４８ａで互いに連結されて
おり、駆動時には、巻線によって形成されるポール部４
８内の磁束の一部が、鉄心歯４８ａ同士の連結部分に磁
路を形成する。これにより、鉄心歯４８ａにおいて磁束
密度が極度に高くなることが防止され、高速回転時の鉄
損が低減される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、スピンドル装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】小型で高速回転が可能なスピンドル装置
の駆動源としては、一般に回転子に永久磁石が取り付け
られたモータ（例えばＤＣブラシレスモータ）が使用さ
れている。図６は、回転子に永久磁石を備えたモータの
断面を表したものである。この図に示すように、回転子
１０は永久磁石１２を有しており、この永久磁石１２の
外周には、所定の隙間をおいて固定子鉄心１４が設けら
れている。固定子鉄心１４は、薄い鋼板を積み重ねたも
のであり、図示は省略されているが、この固定子鉄心１
４のポール部１６には、巻線が巻かれている。固定子
は、この巻線と固定子鉄心１４とで構成され、図示しな
い巻線が通電されることで、回転子１０に対して回転磁
界を発生させるようになっている。

【０００３】ポール部１６の先端部分は、回転子１０の
外周面に沿ってその幅を広くした鉄心歯１６ａとなって
おり、図示しない巻線によって発生した磁界は、この鉄
心歯１６ａと永久磁石１２との間の隙間を介して、例え
ば、図６に矢印で示すような磁気回路を形成する。図６
に示すような、回転子に永久磁石を有するモータでは、
回転子１０が高速で回転すると、永久磁石１２の磁界に
よって、固定子鉄心１４の鉄損（ヒステリシス損や渦電
流損）が著しくなる。このため、従来では、ポール部１
６の幅を広くし、ポール部１６内の磁束密度を小さくす
ることで、鉄損の低減を図っていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ポール部１６
の幅を広くすると、その間に形成されたスロット１８が
狭くなるので、巻くことができる巻線が少なくなり、出
力特性（トルク特性）を悪くしてしまう。また、近年に
おいては永久磁石の磁気特性が著しく向上しているの
で、特にポール部１６の鉄心歯１６ａでの磁束密度が高
くなり、結果的に鉄損の増加が著しくなっていた。

【０００５】図７は、鉄心歯１６ａ付近で生じる磁界を
表したものである。回転子１０の回転時に、永久磁石１
２における磁極（Ｎ極、Ｓ極）の境界が、図７に示すよ
うに鉄心歯１６ａの隙間の中間に位置したとき、各鉄心
歯１６ａ、１６ａの歯先間には、空隙を介して図示する
ような磁界が形成され（フリンジング現象）、両歯先に
おける磁束密度が著しく高くなる。従って、この鉄心歯
１６ａで鉄損が生じ、特に、毎分１万回転以上の高速回
転では、この鉄損が非常に大きなものとなるため、回転
子１０の高速回転化を困難にしていた。

【０００６】例えば、歯科治療に使用される歯用の切削
器具においては、毎分５万や８万、あるいは１０万、３
０万回転といった超高速回転が必要とされているが、従
来のスピンドル装置では、前述した鉄損によりこのよう
な超高速回転に対応することができなかった。このた
め、従来では、回転の駆動源として、装置が大がかりと
なってしまうエアタービンを使用していた。また、レー
ザプリンタやデジタル複写機等では、ポリゴンミラーの
高速回転化が重要な課題となっている。

【０００７】そこで、本発明の目的は、高速回転時の鉄
損を減少させることができるスピンドル装置を提供する
ことにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、永久磁石が取り付けられた回転子と、磁界を発生さ
せる巻線と、この巻線が巻かれた複数のポール部を有す
る固定子鉄心と、前記ポール部の幅の１／３〜１／１０
の幅を有し互いに隣接する前記ポール部間の前記回転子
側を連結する連結手段とをスピンドル装置に具備させて
前記目的を達成する。請求項２記載の発明では、請求項
１記載のスピンドル装置において、連結手段が、Ｆｅ−
Ｃｏ合金とＦｅ−Ｎｉ合金とアモルファス合金のいずれ
かで構成されたことで前記目的を達成する。請求項３記
載の発明では、請求項１または請求項２記載のスピンド
ル装置において、前記巻線を大電流が通電可能な大径で
低巻数とすることで、前記回転子を毎分１万回転以上の
回転数で回転させることにより前記目的を達成する。

【０００９】

【作用】本発明のスピンドル装置では、固定子鉄心のポ
ール部内を通る磁束の一部が、連結手段において磁気回
路を形成する。これによりポール部の回転子側での磁束
密度が他の部分に比べて高くならず、ポール部全体の磁
束密度が均一となる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明のスピンドル装置における各実
施例を図１から図５を参照して詳細に説明する。図１
は、第１の実施例によるスピンドル装置２０を表したも
のである。本実施例のスピンドル装置２０は、ハウジン
グ２２と、このハウジング２２に固定された固定子とし
てのステータ電磁石２４と、このステータ電磁石２４に
よって回転する回転子２６とを備えている。回転子２６
は、円柱形状のロータ軸３０と、このロータ軸３０の外
周面に取り付けられたロータリターンヨーク３１と、こ
のロータリターンヨーク３１に接着固定された円筒形状
の永久磁石３２とを有している。

【００１１】また、回転子２６は、その上下においてそ
れぞれ軸受４０、４２により回転自在に支持されてい
る。軸受４０、４２は、内輪を有しておらず、転動体と
しての玉４０ａ、４２ａは、ハウジング２２側に固定さ
れた外輪４０ｂ、４２ｂと、ロータ軸３０の外周面に直
接形成された軌道溝３０ａ、３０ｂとの間に保持されて
いる。従って、回転子２６の回転時には、玉４０ａ、４
２ａが直接ロータ軸３０の外周面を転がるようになって
いる。ステータ電磁石２４は、薄い鋼板が積層されるこ
とで構成された固定子鉄心４４と、この固定子鉄心４４
に巻かれた巻線４６とで構成されている。巻線４６の線
径は、大電流が通電可能な大径であり、固定子鉄心４４
に対しては、例えば、２回巻程度の低巻き数となってい
る。

【００１２】図２は、固定子鉄心４４の形状と、回転子
２６との位置関係を表したものである。この図に示すよ
うに、固定子鉄心４４は、巻線４６が巻かれる各ポール
部４８の鉄心歯４８ａが互いに連結された形状を有して
おり、スロット５０は、閉スロット構造を有している。
ここで、「連結された」とは、本明細書において、ある
２つの部位が、他の部材によってつなげられた状態にあ
ることのみならず、１つの部材における２か所が、一体
形成によって互いにつながっている状態をも示す。

【００１３】本実施例では、この鉄心歯４８ａ同士の連
結部分における幅Ａが、ポール部４８の幅Ｂの約１／５
であり、また、ポール部４８の長さＣは、その幅Ｂのほ
ぼ２倍である。更に、スロット５０における外側の弧の
長さＤは、ほぼポール部４８の幅Ｂと等しい。なお、本
実施例では、巻線４６の巻き数が少ないので、固定子鉄
心４４に対する巻き付け作業は比較的容易である。ま
た、固定子鉄心４４の鉄心歯４８ａと回転子２６との空
隙は、例えば、０．１〜０．２ｍｍである。

【００１４】次に、このように構成された実施例の動作
について説明する。まず、図示しない駆動回路によって
ステータ電磁石２４の巻線４６に所定の電流が供給さ
れ、これにより回転子２６に対して回転磁界が発生す
る。そして、この回転磁界と永久磁石３２の磁力との相
互作用によってトルクが発生し、このトルクにより回転
子２６が回転駆動を始める。本実施例では、巻線４６が
大電流が通電可能な大径を有し、固定子鉄心４４に対す
る巻き数が少ないので、回転子２６の高速回転化が可能
であり、例えば、回転子２６は毎分１万回転以上の高速
回転を行う。

【００１５】図３は、回転子２６が回転駆動されている
ときに形成される磁界を表したものである。本実施例で
は、鉄心歯４８ａ同士が一体形成により連結されている
ので、永久磁石３２における磁極の境界が鉄心歯４８ａ
間の中間に位置したとき、図３に示すような磁気回路が
形成される。すなわち、鉄心歯４８ａと回転子２６との
間の空隙を介してポール部４８と永久磁石３２間に磁路
が形成されると共に、ポール部４８内を通る磁束の一部
が、鉄心歯４８ａ間の連結部分に磁気回路を形成してい
る。

【００１６】従って、従来のように鉄心歯の歯先で著し
い磁束密度の上昇がなく、この部分での鉄損が少ない。
なお、本実施例では、ポール部４８内の磁束の一部が鉄
心歯４８ａ同士の連結部分を通るので、その分、永久磁
石３２に対して作用する磁束が減り、トルクの減少を招
く。しかし、回転子２６の回転数が高くなる程、鉄損に
よるトルク損失が、鉄心歯４８ａ同士の連結部分への磁
気漏れによるトルク損失に比して、顕著になるため、本
実施例のスピンドル装置２０のように、鉄損を効果的に
低減させた状態で、毎分１万回転以上の高速回転を行う
場合には、結果的に出力トルクが従来よりも大きくな
る。

【００１７】以上説明したように、本実施例のスピンド
ル装置２０では、ポール部４８同士が連結手段としての
鉄心歯４８ａで連結されており、かつまた、ポール部４
８における各部の寸法が、前述したように、Ａ≒１／
５、Ｄ≒Ｂ、Ｃ≒２Ｂであるので（図２参照）、ポール
部４８内における磁束密度の分布が、鉄心歯４８ａで局
部的に高くなることなく均一となる。従って、回転子２
６が毎分１万回転以上の高速回転を行い、ポール部４８
内における磁束の変化が激しい場合でも、鉄損が少ない
高効率の駆動を行うことができる。また、高効率駆動に
より、例えば、消費電力を従来の１／１０にすることが
でき、これにより、ステータ電磁石２４の発熱も少なく
することができる。更に、磁気的共振点がなくなるの
で、高調波を含めた振動の発生が少なく、特に、前記実
施例のような高速回転を行う場合でも、低振動、低騒音
の駆動を行うことができる。

【００１８】また、本実施例では、転動体である玉４０
ａ、４２ａが、ロータ軸３０の外周面を直接転がるの
で、玉通過振動がロータ軸３０の剛性によって減衰さ
れ、大きな振動の発生を防止することができる。また、
従来と本実施例とで、軸受の直径を等しくすれば、内輪
がない分、本実施例では、ロータ軸３０を太くすること
ができる。従って、剛性が高まり、共振点も高くなるの
で、回転時の振動や騒音を防止することができ、軸受寿
命も長くすることができる。更に、低振動、高効率の駆
動が可能となったことで、従来より更に高速な回転を行
うことができる。従って、歯の切削に使用される歯科治
療用の回転器具に必要な、毎分８万、１０万、１５万、
あるいは３０万回転以上の回転にも、本実施例のスピン
ドル装置２０は対応することができる。また、レーザプ
リンタやデジタル複写機等に本実施例のスピンドル装置
２０を使用すれば、ポリゴンミラーを従来よりも高速で
回転させ、より高速な印字を可能にすることができる。

【００１９】なお、鉄心歯４８ａ同士の連結部分の幅Ａ
やポール部４８の幅Ｂ、及びポール部４８の長さＣやス
ロット５０の弧の長さＤは、ポール部４８内での磁束密
度の分布が均一となるものであれば、前記実施例におけ
る関係でなくてもよい。特に、鉄心歯４８ａの連結部分
における幅Ａは、回転子２６の回転速度によって、その
最適値が異なるので、例えば、回転子２６を毎分３万回
転以上で回転させる場合には、幅Ａの値がポール部４８
の幅Ｂの１／４、また、毎分５万〜８万回転で回転させ
る場合には、幅Ｂの１／３でもよく、回転子２６の回転
数によって幅Ｂの１／８、あるいは１／１０でもよい。

【００２０】次に、第２の実施例について説明する。な
お、第１の実施例と同様の構成については同一の符号を
付し、その詳細な説明は適宜省略することとする。図４
は、第２の実施例によるスピンドル装置の固定子鉄心等
を表したものである。本実施例では、固定子鉄心５４の
各ポール部５８が、その先端部分で互いにつながってお
らず、スロット６０は従来と同様に回転子２６側で開放
されている。また、ポール部５８の内側には、円筒形状
のリング６２が取り付けられており、このリング６２に
よって各ポール部５８は、回転子２６側で互いに連結さ
れている。

【００２１】リング６２は、例えば、Ｆｅ−Ｃｏ合金や
Ｆｅ−Ｎｉ合金、あるいはアモルファス合金等の高透磁
率材料で構成される。回転子２６の回転駆動時には、図
４に矢印で示すようにリング６２を介して各ポール部５
８間を通る磁路が形成される。従って、回転子２６を高
速回転させたときにも、ポール部５８の先端部分での磁
束密度の急激に上昇することがなく、鉄損の上昇を抑制
することができる。特に、本実施例では、リング６２の
材料としてＦｅ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金、あるいは
アモルファス合金等の高透磁率材料を使用するので、よ
り効果的に鉄損を低減させることができる。

【００２２】その他の構成、動作、及び効果等は、第１
の実施例と同様である。次に、第３の実施例について説
明する。なお、第１及び第２の実施例と同様の構成につ
いては同一の符号を付し、その詳細な説明は適宜省略す
ることとする。図５は、第３の実施例によるスピンドル
装置の固定子鉄心を表したものである。この図に示すよ
うに、固定子鉄心６４のポール部６８は、回転子６６側
で連結されている。また、本実施例では、第１や第２の
実施例よりも、スロット７０の数が多く、かつ、回転子
６６の径が小さいので、スロット７０はほぼ３角形状に
形成されている。本実施例では、極数が多いため、第１
や第２の実施例よりも回転子６６を滑らかに回転駆動さ
せることができる。他の構成、動作、効果等は、第１の
実施例と同様である。

【００２３】

【発明の効果】本発明のスピンドル装置によれば、高速
回転時の鉄損を減少させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例によるスピンドル装置を
示す部分破断正面図である。

【図２】同装置の固定子鉄心を示す平面図である。

【図３】同固定子鉄心に形成される磁気回路を示した説
明図である。

【図４】本発明の第２の実施例によるスピンドル装置の
一部を示す平面図である。

【図５】本発明の第３の実施例によるスピンドル装置の
一部を示す平面図である。

【図６】従来のスピンドル装置における固定子鉄心を示
す平面図である。

【図７】同固定子鉄心に形成される磁気回路を示す説明
図である。

【符号の説明】

２０ スピンドル装置 ２２ ハウジング ２４ ステータ電磁石 ２６ 回転子 ３０ ロータ軸 ３０ａ、３０ｂ 軌道溝 ３１ ロータリターンヨーク ３２ 永久磁石 ４０、４２ 軸受 ４０ａ、４２ａ 玉 ４０ｂ、４２ｂ 外輪 ４４ 固定子鉄心 ４６ 巻線 ４８ ポール部 ４８ａ 鉄心歯 ５０ スロット

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 永久磁石が取り付けられた回転子と、 磁界を発生させる巻線と、 この巻線が巻かれた複数のポール部を有する固定子鉄心
   と、 前記ポール部の幅の１／３〜１／１０の幅を有し、互い
   に隣接する前記ポール部間の前記回転子側を連結する連
   結手段とを具備することを特徴とするスピンドル装置。
2. 【請求項２】 前記連結手段は、Ｆｅ−Ｃｏ合金とＦｅ
   −Ｎｉ合金とアモルファス合金のいずれかで構成された
   ことを特徴とする請求項１記載のスピンドル装置。
3. 【請求項３】 前記巻線を、大電流が通電可能な大径で
   低巻数とすることで、前記回転子を毎分１万回転以上の
   回転数で回転させることを特徴とする請求項１または請
   求項２記載のスピンドル装置。