JPH11252861A - 磁気軸受スピンドル - Google Patents

磁気軸受スピンドル

Info

Publication number
JPH11252861A
JPH11252861A JP10043235A JP4323598A JPH11252861A JP H11252861 A JPH11252861 A JP H11252861A JP 10043235 A JP10043235 A JP 10043235A JP 4323598 A JP4323598 A JP 4323598A JP H11252861 A JPH11252861 A JP H11252861A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
spindle
magnetic
bearing
radial
magnetic bearing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP10043235A
Other languages
English (en)
Other versions
JP3736104B2 (ja
Inventor
Teruo Maruyama
照雄 丸山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority to JP04323598A priority Critical patent/JP3736104B2/ja
Publication of JPH11252861A publication Critical patent/JPH11252861A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP3736104B2 publication Critical patent/JP3736104B2/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2360/00Engines or pumps
    • F16C2360/44Centrifugal pumps
    • F16C2360/45Turbo-molecular pumps

Landscapes

  • Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)
  • Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 生産加工機械などに用いられる磁気軸受スピ
ンドルに関するもので、スピンドルの高速化、高剛性化
を図るために、磁気軸受の電磁鋼板の渦電流損による発
熱を大幅に低減する。 【解決手段】 第一と第二のラジアル軸受の回転部を種
類の異なる磁性材料より構成して、かつ負荷側の第一の
ラジアル軸受の回転部には、第二のラジアル軸受6、7
に用いられる磁性材料と比べて、遠心力による機械的強
度が高くかつ高周波鉄損が大きい磁性材料を選ぶことに
より、スピンドル剛性を低下させないで、総発熱量を低
減できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、生産加工機械ある
いは半導体装置のターボ分子ポンプなどで用いられる磁
気軸受スピンドルに関するものである。
【0002】
【従来の技術】以下、機械加工における高速スピンドル
を例にとり、その課題について説明する。
【0003】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
を向上させ、切削抵抗の減少により加工精度の向上と工
具の寿命を延ばす、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。
【0004】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、切削抵抗
が小さくできる高速切削の期待が大きい。
【0005】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。
【0006】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。
【0007】図3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。
【0008】
【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。
【0009】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。
【0010】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。
【0011】さて渦電流損は、一般に抵抗率に反比例
し、同じ材質ならば鉄板の厚さの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。
【0012】渦電流損を低減するために、抵抗率が高
く、鉄損が小さく、同じ材質ならば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。
【0013】逆により高い回転数にまで耐える、同じ
材質ならば、板厚が大きく、抵抗率が低く、鉄損が大き
い電磁鋼板を採用した場合、大きな渦電流損による発熱
によって主軸に異常な温度上昇をもたらした。
【0014】この温度上昇は、複合部品により構成され
る回転主軸の信頼性に多大な悪影響を与えた。磁気軸受
の主軸は通常、モータ・磁気軸受の電磁鋼板とそれを側
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
が、高速・高温下の苛酷な条件下において、これらの部
品の破壊 変形などのトラブルが発生した。
【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)を図る上で本質的に抱えている上
記の相矛盾する課題に対して、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、回転軸を駆動
するモータと、この回転軸の負荷側に設けられこの回転
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、前記回転軸の軸方向荷重を支持するスラスト軸受
より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は板厚および、または材
質の異なる磁性材料より構成されるものである。
【0017】
【発明の実施の形態】図1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。
【0018】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)が装着されたモータ部2
0、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。
【0019】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。 フロント側の電磁石部分での主軸径をφD1として、
その電磁鋼板には鉄損(渦電流損)が大きいが機械的強
度が高い材料を用いる。
【0020】リアー側の電磁石部分での主軸径をφD
2として、その電磁鋼板には機械的強度は低いが鉄損
(渦電流損)も小さい材料を用いる。
【0021】φD1>φD2として、設定回転数の条件
下で、遠心力によって発生する応力に耐える範囲内で上
記φD1、φD2の寸法を決定する。
【0022】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磁気軸受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(負荷側)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。
【0023】なお下記の表は、電磁鋼板の遠心力に対す
る強度と鉄損が相反する関係にあることを示す一例であ
る。
【0024】
【表1】
【0025】上記表1において鉄損のW15/50は、周波
数50Herz、最大磁束密度1.5Tのときの損失を示
す。
【0026】図2は本発明の第二の実施例を示すもの
で、フロント側とリアー側のラジアル磁気軸受の外径比
をさらに大きくして、強度と磁気的損失が相反する性格
を持っている電磁鋼板材料の特徴を一層活かすことによ
り、高速化を図ったものである。
【0027】30、31はフロント側ラジアル軸受のロ
ータとステータ、32,33はリアー側ラジアル軸受の
ロータとステータ、34は主軸35のフロント部、36
はモータ部、37はリアー部である。
【0028】さてラジアル軸受の各ロータ部は、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。この軸受部の剛性は、積層鉄心の外径(φD1
φD2)と半径方向の幅で決まる電磁気的な吸引力、
主軸の外径(φd1、φd2)で決まる機械的強度の二つ
で決定される。通常、積層鉄芯は母体である主軸程は機
械的強度は期待できない。そこで、 (1)大きな加工負荷が加わるフロント部34は、主軸
径(φd1)を一層大きくする。
【0029】(2)加工負荷の小さいリアー部37は、
主軸径(φd2)を一層小さくする。
【0030】上記(1)(2)により、積層鉄心の外径比(D
1/D2)も一層大きくできるため、それぞれの電磁鋼板
の短所を出さないで長所を活かすことができる。たとえ
ば、フロント側は高強度材料であることを利用して、せ
いいっぱい外径φD1を大きくできる。リアー側は外径
φD2がさらに小さいため、発生する応力がもっと小さ
くなることを利用して、より高品位(低発熱)の材料が
選べる。
【0031】以上要約すれば、第一と第二のラジアル軸
受のそれぞれの前記軸芯部の外径をd1、d2としたと
き、d1>d2すればよい。
【0032】なお本発明が対象とする電磁鋼板とは、珪
素鋼板、アモルファス材料など磁気軸受の回転子として
用いることのできる磁性材料ならばどんなものでもよ
い。
【0033】また実施例では、加工用スピンドルを例に
あげて説明したが、ターボ分子ポンプなどにも本発明を
適用できる。この場合、負荷側の軸受とは大きな慣性負
荷を持つ、たとえば、回転翼が取り付けられた側を示
す。
【0034】
【発明の効果】本発明を用いれば、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
きな同一の電磁鋼板材料を用いた場合と比べて、渦電流
損失を大幅に低減するとともに、高いDN値(主軸径×
回転数)を実現できる。また二つのラジアル軸受の外径
を同一に構成した場合と比べて、スピンドルの剛性には
大きな影響を与えない。その結果、主軸の温度上昇を抑
制することができ、多くの複合部品で構成されるスピン
ドルの信頼性を向上させると共に、主軸の軸方向の伸び
を押さえ、高い振れ精度を維持できる。
【0035】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
の実用的効果は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかる第一の実施の形態である磁気軸
受スピンドルの正面断面図
【図2】本発明の第二の実施の形態の正面断面図
【図3】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 4、5 第一のラジアル軸受け 6、7 第二のラジアル軸受け 2,3 モータ部

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】回転軸を駆動するモータと、この回転軸の
    負荷側に設けられこの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、前記回転軸の軸方向荷
    重を支持するスラスト軸受より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
    部は肉厚および、または材質の異なる磁性材料より構成
    されることを特徴とする磁気軸受スピンドル。
  2. 【請求項2】前記第一のラジアル軸受の回転部に用いら
    れる磁性材料は、前記第二のラジアル軸受に用いられる
    磁性材料と比べて、遠心力による機械的強度が高くかつ
    高周波鉄損が大きいことを特徴とする請求項1記載の磁
    気軸受スピンドル。
  3. 【請求項3】前記第一のラジアル軸受の回転部の外径
    は、前記第二のラジアル軸受のそれと比べて大きいこと
    特徴とする請求項1記載の磁気軸受スピンドル。
  4. 【請求項4】前記第一と第二のラジアル軸受の各ロータ
    部は軸芯部に装着された磁性材料による回転部材から構
    成されており、かつ前記第一と第二のラジアル軸受のそ
    れぞれの前記軸芯部の外径をd1、d2としたとき、 d1
    > d2であることを特徴とする請求項1記載の磁気軸受
    スピンドル。
JP04323598A 1998-02-25 1998-02-25 磁気軸受スピンドル Expired - Fee Related JP3736104B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP04323598A JP3736104B2 (ja) 1998-02-25 1998-02-25 磁気軸受スピンドル

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP04323598A JP3736104B2 (ja) 1998-02-25 1998-02-25 磁気軸受スピンドル

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH11252861A true JPH11252861A (ja) 1999-09-17
JP3736104B2 JP3736104B2 (ja) 2006-01-18

Family

ID=12658254

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP04323598A Expired - Fee Related JP3736104B2 (ja) 1998-02-25 1998-02-25 磁気軸受スピンドル

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3736104B2 (ja)

Also Published As

Publication number Publication date
JP3736104B2 (ja) 2006-01-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101248282B (zh) 用于磁轴承装置的转子轴
EP0953781B1 (en) Magnetic bearing
US5751085A (en) Axial gap type electric motor with dynamic pressure air bearing
JP2011525589A (ja) 高速回転軸のための軸配置
JP4228413B2 (ja) 回転装置
JP3708331B2 (ja) 磁気軸受装置
JP3736104B2 (ja) 磁気軸受スピンドル
JP3736100B2 (ja) 磁気軸受スピンドル
JP3712565B2 (ja) 回転装置及び当該回転装置を備えた加工装置
JPH11266564A (ja) 磁気軸受スピンドル
JP3793863B2 (ja) 磁気軸受のステータユニットの製造方法
JP3882334B2 (ja) 磁気軸受装置
JP3777500B2 (ja) 磁気軸受装置
US5711612A (en) Dynamic pressure bearing
US6064130A (en) Motor having dynamic pressure bearing, and rotator device having the motor as driving source
JP2002199655A (ja) 高速電動機
JPS63148846A (ja) モ−タの軸受機構
JP2002339970A (ja) 磁気軸受装置及びターボ分子ポンプ
CN117307606A (zh) 一种带轴向辅助励磁的三自由度混合磁轴承及偏置磁路设计方法
JPH07238897A (ja) ターボ分子ポンプ
JPH039327B2 (ja)
JPH05149326A (ja) 動圧軸受装置
JPH0610945A (ja) 動圧軸受及びこれを用いた回転多面鏡装置
JPS61210291A (ja) タ−ボ分子ポンプの磁気軸受装置
JPH05177405A (ja) 工作機械の主軸構造

Legal Events

Date Code Title Description
A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20050602

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20050614

RD01 Notification of change of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7421

Effective date: 20050627

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20050805

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20051004

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20051017

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20091104

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20091104

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101104

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111104

Year of fee payment: 6

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees