JPH11266564A - 磁気軸受スピンドル - Google Patents

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】 複数の磁極から構成されるラジアル軸受
の固定側において、磁極間の境界部で各磁極が円周方向
で重なり合う区間を設けることにより、回転子が磁極か
ら磁極へ移り変わるときの磁束密度の変化率を小さくし
て、渦電流損と発熱の低減を図る。

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
を例について説明する。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。

【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、切削抵抗
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７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。

【０００８】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25
0万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。

【００１１】図８（Ａ）、（Ｂ）は従来から用いられて
いるラジアル軸受の基本構造を示すもので、６００は電
磁鋼板から構成される回転子鉄芯、６０１は固定子鉄芯
（ステータ部）、６０２は巻線である。図中に磁束の流
れを矢印６０３で示す。ラジアル磁気軸受は、上下左右
の方向から磁気の力で回転子６００を吸引して回転子を
非接触で中心に保持する。回転子鉄芯中の一点は回転に
よって、N→S→S→N（N→S→N→Sの場合もある）と磁極
６０４に面して磁束６０３の方向と大きさが変化するた
めに、回転子鉄芯６００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、回転子鉄芯６００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。

【００１２】しかしながら、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。

【００１３】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。

【００１４】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。

【００１５】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。

【００１６】本発明は、上記の相反する課題を解決
し、高速・高剛性化（高DN値化）を図る磁気軸受スピン
ドルを提供するものである。

【００１７】

【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、この回転軸の軸径方向荷重を支持するラ
ジアル磁気軸受と、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、前記ラジアル軸受の固定側であるステータ部は複数
の磁極から構成され、かつ前記回転軸と面する前記各磁
極間の境界線の形状は回転軸の軸方向に対して直角ある
いは傾斜角を有する構成となっている。

【００１８】

【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、５はそれぞれフロント側ラジアル軸受のロータとス
テータ部、６、７はそれぞれリア側ラジアル軸受のロー
タとステータ部である。８、９はそれぞれスラスト軸受
のロータとステータである。１０，１１はそれぞれフロ
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が装着されたフロント
部１９、モータロータ２が装着されたモータ部２０、リ
ア側ラジアル軸受のロータ６が装着されたリアー部２１
から構成される。

【００１９】図２は図１のスピンドルのフロント側ラジ
アル軸受のステータ部５（固定子鉄芯）だけを取り出し
た矢視図である。このステータ部５は８個の磁極２３か
ら構成されており、それぞれの磁極には巻線２２が施さ
れている。またその内面（主軸に面する側）の磁極間の
間隙：δを保つように配置されている。従来の磁気軸受
の磁極間の境界は、主軸の軸方向に対して同一方向であ
るが、本発明の磁気軸受の磁極は軸方向に対して、角
度：αだけ捻じれた形状をしている。

【００２０】図３は本発明の理解を容易にするために、
図１のスピンドルの主軸１のフロント部１９とリアー部
２１だけを取り除いた状態で、ラジアル磁気軸受のステ
ータ部５，７がどの様に見えるかを示したものである。

【００２１】さてラジアル磁気軸受の渦電流損は、前述
したように、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。従来磁気軸受の構造は、上記
おおまかな原則を踏まえて設計されていた。しかしラジ
アル磁気軸受の設計の選択肢のなかで、回転数が妥協で
きない条件とすれば、電磁鋼板には強度と損失の点で相
反する課題があることは前述した通りである。

【００２２】本発明は回転子鉄芯側ではなく、固定のス
テータ側にある渦電流損の発生要因に着目したものであ
る。渦電流損は回転子鉄芯の磁極に対向する面の磁束の
方向と大きさが変化するために発生する誘起起電力によ
るものである。磁束が変化する理由は、ステータ側の磁
極が円周方向でN→S→N→S（あるいはN→S→S→N）と交
互に配置されているからである。

【００２３】さて、磁気軸受のロータに発生する渦電流
の電流密度は、磁束密度の変化分の振幅に比例する。し
たがってロータで消費される渦電流損は、電流密度の２
乗すなわち磁束密度の変化分の２乗に比例することにな
る。

【００２４】従来磁気軸受では、ロータとステータの相
対的な運動によって磁束密度の急峻な変化をもたらし、
それが渦電流損の大きな要因となっていた。本発明は、
渦電流損が磁束密度の絶対値の大きさではなく、その変
化率に大きく依存するという点を利用したものである。
本発明の上記実施例では、磁極の形状が軸に対して捻ら
れていることにより、回転子の全体をみたとき回転子が
N→SあるいはS→Nに移り変わる際に、磁束密度はなだら
かな勾配をもって変化する。その結果、渦電流損の発生
を抑制して発熱の大幅な低減が図れる。

【００２５】また回転子鉄芯と固定子鉄芯の間で閉ルー
プの磁気回路が形成されるが、本発明では回転子対向面
の磁極の面積は従来と変わらないために、磁気軸受とし
ての基本性能（磁気的な吸引力で決まる剛性、負荷能
力）には大きな影響はない。

【００２６】図４は本発明の第二の実施例の磁極の形状
を示すもので、磁極５０間の境界線が回転軸の軸方向に
対してV字型の形状となるように、固定子鉄芯を構成し
たものである。

【００２７】図５は磁極６０の境界線がギヤが噛み合う
ように、磁極に凹凸面の形状を形成した場合を示す。こ
の場合境界線が傾斜を持つ場合と比べて、各磁極が円周
方向で重なり合う区間：Wが小さく出来ると共に、固定
子鉄芯の電磁鋼板を積層させて組み立てる際の位置決め
作業が容易となる。

【００２８】以上の実施例で示したように、各磁極が円
周方向で重なり合う区間：Wを設ければ、軸方向の異極
の磁極間の相互干渉により、回転子が磁極から磁極へ移
り変わるときの磁束密度の変化率を小さくできるため
に、渦電流損の低減が図れる。

【００２９】なお磁極の配置をN→S→S→Nとした場合、
N極→N極あるいはS極→S極に移り変わる境界線では、
磁束密度の大きな変化はないために、この境界線での磁
極の形状は従来どうりの回転軸の軸芯に平行でよい。

【００３０】本発明を適用する磁気軸受のステータに、
モータで用いられているの極分割コアー工法を利用すれ
ば、たとえば軸に対して捻られている異形の磁極を積層
して組み立る作業が容易にできる。図６は上記工法を第
一の実施例（図１）に用いる場合の磁極一個分の形状を
示すものである。７０は回転子と対向する面であり、軸
方向に対して、角度：αだけ捻じれた形状をしている。
上記工法を用いれば、任意の形状の磁極を採用できる。
なを電動モータでは上記工法は公知であるが、本発明で
提示した特殊な形状の磁極から構成される磁気軸受に上
記工法を適用した前例はない。

【００３１】ちなみに極分割工法とは、固定子を複数個
のコアーピースに分割して、たとえばレーザによる金型
内積層固着工法により高精度のコアーピースを積層し
て、各ピースに高密度巻線を行った後、レーザにより再
び、高精度に合体したものである。

【００３２】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。

【００３３】

【発明の効果】本発明を用いれば、磁気軸受の回転子に
発生する渦電流を大幅に低減することができるために、
主軸の発熱と温度上昇を抑制できる。その結果、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。

【００３４】本発明は、磁気軸受スピンドルの高いDN値
（主軸径×回転数）の実現を図る上で、極めて有力な手
段を提供するものである。また磁気軸受の高速時の欠点
が解消されるため、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】図１のラジアル磁気軸受のステータ部の矢視図

【図３】図１のラジアル磁気軸受のステータ部がどのよ
うに見えるかを示した図

【図４】本発明にかかる第二の実施の形態である磁極の
形状を示す図

【図５】本発明にかかる第三の実施の形態である磁極の
形状を示す図

【図６】本発明のステータ部を極分割コアー工法で製作
する場合の矢視図

【図７】従来の磁気軸受スピンドルの正面断面図

【図８】従来の磁気軸受の原理図

【符号の説明】

１ 回転軸 ２ モータロータ ３ モータステータ ４ フロント側ラジアル軸受けのロータ ５ フロント側ラジアル軸受けのステータ ６ リア側ラジアル軸受けのロータ ７ リア側ラジアル軸受けのステータ

Claims (3)

【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
   の軸径方向荷重を支持するラジアル磁気軸受と、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、前記ラジアル軸受の固
   定側であるステータ部は複数の磁極から構成され、かつ
   前記回転軸と面する前記各磁極間の境界線の形状は回転
   軸の軸方向に対して直角あるいは傾斜角を有することを
   特徴とする磁気軸受スピンドル。
2. 【請求項２】ステータ部は複数個のコアーピースに分割
   して組み立てる極分割工法から構成されることを特徴と
   する請求項１記載の磁気軸受スピンドル。
3. 【請求項３】ステータ部は複数個のコアーピースに分割
   され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。