JPH11311250A - 磁気軸受装置 - Google Patents
磁気軸受装置Info
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- JPH11311250A JPH11311250A JP10118319A JP11831998A JPH11311250A JP H11311250 A JPH11311250 A JP H11311250A JP 10118319 A JP10118319 A JP 10118319A JP 11831998 A JP11831998 A JP 11831998A JP H11311250 A JPH11311250 A JP H11311250A
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- magnetic pole
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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、これらの磁極の内面とラジアル軸受
の回転側であるロータの間に形成される磁束密度分布
が、磁極端部から磁極中央に向けて傾斜した分布を持つ
ように前記磁極の形状を形成することにより、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。
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、これらの磁極の内面とラジアル軸受
の回転側であるロータの間に形成される磁束密度分布
が、磁極端部から磁極中央に向けて傾斜した分布を持つ
ように前記磁極の形状を形成することにより、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
【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。
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。
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。
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。
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。
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。
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１５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。
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。
本性能は、通常ＤＮ値（主軸径×回転数）の大きさで評
価される。
【０００９】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２
５０万程度が限界とされている。
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２
５０万程度が限界とされている。
【００１０】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。
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。
【００１１】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。
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。
【００１２】図１６（イ）（ロ）は従来から用いられて
いるラジアル軸受の原理図を示すもので、６００は電磁
鋼板から構成される回転子鉄芯（図１５の５０３に相
当）、６０１は固定子鉄芯（図１５の５０４に相当）、
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。
いるラジアル軸受の原理図を示すもので、６００は電磁
鋼板から構成される回転子鉄芯（図１５の５０３に相
当）、６０１は固定子鉄芯（図１５の５０４に相当）、
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。
【００１３】さて回転子鉄芯中の一点は回転によって、
同図（イ）に示すように、Ｎ→Ｓ→Ｓ→Ｎ（後述するよ
うに 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。
同図（イ）に示すように、Ｎ→Ｓ→Ｓ→Ｎ（後述するよ
うに 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。
【００１４】さて高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。
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。
【００１５】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。
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。
【００１６】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。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。主軸が高速・高温下の
苛酷な条件下に晒されることにより、これらの複合部品
の破壊・変形などのトラブルの要因となった。
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。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。主軸が高速・高温下の
苛酷な条件下に晒されることにより、これらの複合部品
の破壊・変形などのトラブルの要因となった。
【００１７】ラジアル軸受の電磁石に流すバイアス電
流を小さくする、あるいは電磁石の歯幅、軸方向の長さ
を小さくする、等によって損失を低減できる。しかし同
時に剛性、負荷能力も低下してしまうため高ＤＮ値化は
困難となる。
流を小さくする、あるいは電磁石の歯幅、軸方向の長さ
を小さくする、等によって損失を低減できる。しかし同
時に剛性、負荷能力も低下してしまうため高ＤＮ値化は
困難となる。
【００１８】本発明は渦電流損を低減させる上で、上記
〜の方策では解消できなかった課題に対して、抜本
的な解決策を与えるものである。すなわち本発明は、渦
電流損失の大きさが磁極の形状で決まる磁界の分布に依
存することに着目したもので、従来磁気軸受とほとんど
変わらないシンプルな構成で、磁気軸受スピンドルの低
損失化と高速・高剛性化（高ＤＮ値化）を同時に実現す
る極めて有力な手段を提供するものである。
〜の方策では解消できなかった課題に対して、抜本
的な解決策を与えるものである。すなわち本発明は、渦
電流損失の大きさが磁極の形状で決まる磁界の分布に依
存することに着目したもので、従来磁気軸受とほとんど
変わらないシンプルな構成で、磁気軸受スピンドルの低
損失化と高速・高剛性化（高ＤＮ値化）を同時に実現す
る極めて有力な手段を提供するものである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】本発明は、モータによっ
て回転駆動される回転軸の軸径方向荷重を支持するラジ
アル磁気軸受において、このラジアル軸受の固定側であ
るステータ部は、円周方向でＮ極とＳ極の磁極が、たと
えばＮＮＳＳあるいはＮＳＮＳのように配置されてお
り、かつラジアル軸受の回転側であるロータと前記磁極
の前記ロータに面する内面との間に形成される磁束密度
分布は、磁極端部から磁極中央に向けて円周方向で徐々
に増加していく分布を持つように前記磁極の形状が形成
されている。
て回転駆動される回転軸の軸径方向荷重を支持するラジ
アル磁気軸受において、このラジアル軸受の固定側であ
るステータ部は、円周方向でＮ極とＳ極の磁極が、たと
えばＮＮＳＳあるいはＮＳＮＳのように配置されてお
り、かつラジアル軸受の回転側であるロータと前記磁極
の前記ロータに面する内面との間に形成される磁束密度
分布は、磁極端部から磁極中央に向けて円周方向で徐々
に増加していく分布を持つように前記磁極の形状が形成
されている。
【００２０】
【発明の実施の形態】以下まず最初に本発明の第一の実
施例の概要を述べ、その原理と効果を渦電流損の理論解
析を用いて説明する。
施例の概要を述べ、その原理と効果を渦電流損の理論解
析を用いて説明する。
【００２１】Ｉ．電磁石の構成 ［１］電磁石Ａの場合 図１は、本発明によるラジアル磁気軸受電磁石の第一の
実施例（電磁石Ａと呼ぶ）の原理図を示すものである。
１はロータ、２はステータ部であり、このステータ部２
は８極の独立した磁極から構成されたＮＳＮＳ型を採用
している。すなわち、４つのＮ極３ａ〜３ｄと４つのＳ
極４ａ〜４ｄが円周方向で交互に配置された構成となっ
ている。ここでひとつのＮ極３ａに注目すると、５、６
は磁極３ａ内面の両端部に形成された傾斜部、７はロー
タ１と同芯の真円部、８、９はそれぞれの磁極を位置決
めして締結するための連結部、１０、１１は巻き線の収
納部、１２、１３は異極間の間隙部であるスロット部で
ある。なお、これら５〜１１は他の磁極にも同様に形成
されている。
実施例（電磁石Ａと呼ぶ）の原理図を示すものである。
１はロータ、２はステータ部であり、このステータ部２
は８極の独立した磁極から構成されたＮＳＮＳ型を採用
している。すなわち、４つのＮ極３ａ〜３ｄと４つのＳ
極４ａ〜４ｄが円周方向で交互に配置された構成となっ
ている。ここでひとつのＮ極３ａに注目すると、５、６
は磁極３ａ内面の両端部に形成された傾斜部、７はロー
タ１と同芯の真円部、８、９はそれぞれの磁極を位置決
めして締結するための連結部、１０、１１は巻き線の収
納部、１２、１３は異極間の間隙部であるスロット部で
ある。なお、これら５〜１１は他の磁極にも同様に形成
されている。
【００２２】図２に磁極３ａの部分拡大図を示す。実施
例では異極間の間隙部におけるスロット幅δを充分に小
さく、δ＝６度に設定した。また磁極の端部と同芯部７
の間はゆるやかな傾斜面で結び、α＝γ＝１０度の区間
で傾斜部５、６を形成している。ここで角度：αの区間
を磁束密度曲線の立ち上がり区間（助走区間）、角度：
γの区間を立ち下がり区間（減速区間）と呼ぶことにす
る。また中央部の角度βの区間は、磁極の内面がロータ
と同芯円で形成されており、ロータと磁極の間隙（エア
ーギャップ）は均一である。
例では異極間の間隙部におけるスロット幅δを充分に小
さく、δ＝６度に設定した。また磁極の端部と同芯部７
の間はゆるやかな傾斜面で結び、α＝γ＝１０度の区間
で傾斜部５、６を形成している。ここで角度：αの区間
を磁束密度曲線の立ち上がり区間（助走区間）、角度：
γの区間を立ち下がり区間（減速区間）と呼ぶことにす
る。また中央部の角度βの区間は、磁極の内面がロータ
と同芯円で形成されており、ロータと磁極の間隙（エア
ーギャップ）は均一である。
【００２３】［２］電磁石Ｂの場合 図１１に、上記α＝γ＝０の場合のラジアル磁気軸受電
磁石Ｂの原理図を示す。８１はロータ、８２はステータ
部である。このステータ部も、４つのＮ極８３ａ〜８３
ｄと４つのＳ極８４ａ〜８４ｄが円周方向で交互に配置
されたＮＳＮＳ型の構成となっている。ここで一つの磁
極８３ａに注目すると、８５は真円部であり、この部分
でのロータと磁極の間隙は均一である。８６、８７は巻
き線の収納部、８８、８９は異極間の間隙部であるスロ
ット部である。図１１の電磁石の形状は、本発明の上記
実施例同様に通常用いられるラジアル軸受の形状と比べ
てスロット幅を小さく、δ＝６度に設定した。これは以
下示す渦電流損の解析により、本発明と従来構造の損失
を同一の負荷能力と剛性の条件のもとで比較するためで
ある。
磁石Ｂの原理図を示す。８１はロータ、８２はステータ
部である。このステータ部も、４つのＮ極８３ａ〜８３
ｄと４つのＳ極８４ａ〜８４ｄが円周方向で交互に配置
されたＮＳＮＳ型の構成となっている。ここで一つの磁
極８３ａに注目すると、８５は真円部であり、この部分
でのロータと磁極の間隙は均一である。８６、８７は巻
き線の収納部、８８、８９は異極間の間隙部であるスロ
ット部である。図１１の電磁石の形状は、本発明の上記
実施例同様に通常用いられるラジアル軸受の形状と比べ
てスロット幅を小さく、δ＝６度に設定した。これは以
下示す渦電流損の解析により、本発明と従来構造の損失
を同一の負荷能力と剛性の条件のもとで比較するためで
ある。
【００２４】［３］従来の電磁石Ｃの場合 図１３に、従来から一般的に用いられているラジアル磁
気軸受電磁石Ｃの原理図を示す。１０１はロータ、１０
２はステータ部である。このステータ部も、４つのＮ極
１０３ａ〜１０３ｄと４つのＳ極１０４ａ〜１０４ｄが
円周方向で交互に配置されたＮＳＮＳ型の構成となって
いる。ここで一つの磁極１０３ａに注目すると、１０５
は真円部であり、この部分でのロータと磁極の間隙は均
一である。１０６、１０７は巻き線の収納部、１０８、
１０９は異極間の間隙部であるスロット部である。図１
３の従来電磁石の形状は、巻き線の収納部１０６、１０
７に巻き線を収納するために、スロット幅を充分に大き
く形成している。
気軸受電磁石Ｃの原理図を示す。１０１はロータ、１０
２はステータ部である。このステータ部も、４つのＮ極
１０３ａ〜１０３ｄと４つのＳ極１０４ａ〜１０４ｄが
円周方向で交互に配置されたＮＳＮＳ型の構成となって
いる。ここで一つの磁極１０３ａに注目すると、１０５
は真円部であり、この部分でのロータと磁極の間隙は均
一である。１０６、１０７は巻き線の収納部、１０８、
１０９は異極間の間隙部であるスロット部である。図１
３の従来電磁石の形状は、巻き線の収納部１０６、１０
７に巻き線を収納するために、スロット幅を充分に大き
く形成している。
【００２５】II．渦電流損の解析 磁気軸受の渦電流損失の絶対値を求める従来の研究例
は、現段階では見当たらないため、まず最初に電磁誘導
論から直接解析解を導く。
は、現段階では見当たらないため、まず最初に電磁誘導
論から直接解析解を導く。
【００２６】［１］解析の基本モデル 図３において、速度：ｖ＝ｒωで移動する平板導体に座
標をとり、かつこの平板導体には
標をとり、かつこの平板導体には
【００２７】
【数１】
【００２８】で表される磁束が鎖交しているものとす
る。上記（１）式において、ωはスピンドルの角加速
度、ｒは主軸の半径、ｍは磁極配置で決まるもので、Ｎ
ＳＮＳ型の場合はｍ＝４、ＮＳＳＮ型の場合はｍ＝２で
ある。
る。上記（１）式において、ωはスピンドルの角加速
度、ｒは主軸の半径、ｍは磁極配置で決まるもので、Ｎ
ＳＮＳ型の場合はｍ＝４、ＮＳＳＮ型の場合はｍ＝２で
ある。
【００２９】［２］基礎式 電磁誘導論より
【００３０】
【数２】
【００３１】ここでＪは電流密度（＝Ｊxｉ＋Ｊyｊ＋Ｊ
zｋ）、σは導伝率である。電磁鋼板の一枚分に着目す
ると、板厚が十分に小さいために、ｙ方向の電流密度：
zｋ）、σは導伝率である。電磁鋼板の一枚分に着目す
ると、板厚が十分に小さいために、ｙ方向の電流密度：
【００３２】
【数３】
【００３３】またｚ方向は均一とすると、
【００３４】
【数４】
【００３５】となる。
【００３６】
【数５】
【００３７】渦電流損：Ｗeが、厚みＴの電磁鋼板（積
層された全長では幅ｂ）、円周方向の長さｄ、磁束が入
る深さＳの導体内で消費されるとして、時間平均とｘ方
向及びｙ方向の平均をとると、
層された全長では幅ｂ）、円周方向の長さｄ、磁束が入
る深さＳの導体内で消費されるとして、時間平均とｘ方
向及びｙ方向の平均をとると、
【００３８】
【数６】
【００３９】であるため
【００４０】
【数７】
【００４１】ここで、時間とｘ方向の平均の項は、
【００４２】
【数８】
【００４３】ｙ方向の平均の項は
【００４４】
【数９】
【００４５】これらの値を用いると、ラジアル磁気軸受
の磁束密度分布を円周方向で正弦波近似した場合の渦電
流損失：Ｗeが求まる。ｄ＝２πｒであるため
の磁束密度分布を円周方向で正弦波近似した場合の渦電
流損失：Ｗeが求まる。ｄ＝２πｒであるため
【００４６】
【数１０】
【００４７】［３］磁束密度分布が任意の周期関数の場
合 以上、理解を容易にするため磁束密度分布曲線を正弦波
で近似したが、実際の磁気軸受の磁束密度分布の周期関
数は、図４あるいは図１２に示すように方形波もしくは
台形波に近い。この場合は、（１）式の代わりに
合 以上、理解を容易にするため磁束密度分布曲線を正弦波
で近似したが、実際の磁気軸受の磁束密度分布の周期関
数は、図４あるいは図１２に示すように方形波もしくは
台形波に近い。この場合は、（１）式の代わりに
【００４８】
【数１１】
【００４９】このときの渦電流損失：Ｗeは、（８）式
の代わりに次式になる。
の代わりに次式になる。
【００５０】
【数１２】
【００５１】また磁気軸受の回転子表面において、磁束
の低い周波数成分は回転子内部まで入るが、高い周波数
成分は入りにくい。そこで表皮深さ、すなわち損失を生
じる体積は
の低い周波数成分は回転子内部まで入るが、高い周波数
成分は入りにくい。そこで表皮深さ、すなわち損失を生
じる体積は
【００５２】
【数１３】
【００５３】に比例するとすると（１０）式は
【００５４】
【数１４】
【００５５】（１１）式において、ａnは周期関数の種
類（正弦波、台形波、方形波等）で決まるフーリエ係数
である。
類（正弦波、台形波、方形波等）で決まるフーリエ係数
である。
【００５６】III．実施例の低損失化の効果 上記結果から、磁束密度分布に任意の周期関数を与えた
ときの渦電流損失の絶対値を求める基礎式（１１式）が
求まったため、本発明の第一の実施例（図１の電磁石
Ａ）に適用して計算をおこなう。また磁束密度分布の立
ち上がり・立ち下がり区間を持たない軸受構造（図１１
の電磁石Ｂ）との対比のもとで、その損失低減の効果を
評価する。
ときの渦電流損失の絶対値を求める基礎式（１１式）が
求まったため、本発明の第一の実施例（図１の電磁石
Ａ）に適用して計算をおこなう。また磁束密度分布の立
ち上がり・立ち下がり区間を持たない軸受構造（図１１
の電磁石Ｂ）との対比のもとで、その損失低減の効果を
評価する。
【００５７】［１］磁束密度分布の比較 図４は、上記実施例（電磁石Ａ）のロータ回転角が０〜
９０度の区間での磁束密度分布を示す。スロット幅δの
区間では理論的にはＢ＝０のはずであるが、（１）実施
例では、スロット幅δを充分小さく形成している。
（２）実際の電磁石では、漏れ磁束、電磁石のロータ内
面端部の面取り加工などの影響により磁界の波形は幾分
鈍化した波形になる、上記（１）（２）の理由にによ
り、立ち上がり区間α、立ち下がり区間βいっぱいに磁
界の分布に傾斜角をもたせている。また実施例では、α
＝γとしている。
９０度の区間での磁束密度分布を示す。スロット幅δの
区間では理論的にはＢ＝０のはずであるが、（１）実施
例では、スロット幅δを充分小さく形成している。
（２）実際の電磁石では、漏れ磁束、電磁石のロータ内
面端部の面取り加工などの影響により磁界の波形は幾分
鈍化した波形になる、上記（１）（２）の理由にによ
り、立ち上がり区間α、立ち下がり区間βいっぱいに磁
界の分布に傾斜角をもたせている。また実施例では、α
＝γとしている。
【００５８】本発明と比較する図１１の電磁石Ｂの場合
も、上記（１）（２）の理由により、図１１に示すよう
にスロット幅δの区間で若干の傾斜角をもたせている。
も、上記（１）（２）の理由により、図１１に示すよう
にスロット幅δの区間で若干の傾斜角をもたせている。
【００５９】また従来の一般的な電磁石Ｃの磁束密度
を、スロット幅δ＝２０ｄｅｇの場合について図１４に
示す。この場合も、０＜ε＜３ｄｅｇの範囲で傾斜角を
もたせている。
を、スロット幅δ＝２０ｄｅｇの場合について図１４に
示す。この場合も、０＜ε＜３ｄｅｇの範囲で傾斜角を
もたせている。
【００６０】［２］渦電流損の計算結果 図５は、渦電流損失と立ち上がり区間の長さの関係を求
めたものである。解析条件として、解析の対象とする電
磁石Ａ、Ｂ共、電磁鋼板の固有抵抗値（ρ＝５．６×１
０-7Ωｍ）、磁束がロータに入る深度：ｓは、磁気軸受
の電磁鋼板ロータの厚み（ｓ＝７ｍｍ）を用いる。また
電磁鋼板は、高ＤＮ値化を狙いとして遠心力耐えるため
に、損失は大きいが敢えて高強度用（Ｔ＝０．００３５
ｍ）を用いている。またｂ：磁気軸受の幅（０．０５
ｍ），Ｂ0：磁束密度の最大値（＝１．５Ｔ）、σ：導
電率（＝１／ρ），ｒ：主軸の半径（＝０．０９／２
ｍ）、ω：回転数（＝４００００ｒｐｍ×２×π／６
０）である。
めたものである。解析条件として、解析の対象とする電
磁石Ａ、Ｂ共、電磁鋼板の固有抵抗値（ρ＝５．６×１
０-7Ωｍ）、磁束がロータに入る深度：ｓは、磁気軸受
の電磁鋼板ロータの厚み（ｓ＝７ｍｍ）を用いる。また
電磁鋼板は、高ＤＮ値化を狙いとして遠心力耐えるため
に、損失は大きいが敢えて高強度用（Ｔ＝０．００３５
ｍ）を用いている。またｂ：磁気軸受の幅（０．０５
ｍ），Ｂ0：磁束密度の最大値（＝１．５Ｔ）、σ：導
電率（＝１／ρ），ｒ：主軸の半径（＝０．０９／２
ｍ）、ω：回転数（＝４００００ｒｐｍ×２×π／６
０）である。
【００６１】さて、図５の解析結果を要約すれば、 磁束密度曲線の立ち上がり区間αと立ち下がり区間β
をもたない電磁石Ｂ（図１１）の場合、磁束密度の変化
率（＝∂Ｂ／∂θ）は極めて大きく、損失Ｗe＝２．２
６ｋｗである。
をもたない電磁石Ｂ（図１１）の場合、磁束密度の変化
率（＝∂Ｂ／∂θ）は極めて大きく、損失Ｗe＝２．２
６ｋｗである。
【００６２】電磁石Ａの立ち上がり区間：α（及び
β）を大きくして、磁束密度の変化率を小さくすると、
損失動力は大幅に低下する。たとえばα＝３ｄｅｇ（図
５）から１０ｄｅｇにすると、損失Ｗe＝２．２６→
１．０６ｋｗに低下する。
β）を大きくして、磁束密度の変化率を小さくすると、
損失動力は大幅に低下する。たとえばα＝３ｄｅｇ（図
５）から１０ｄｅｇにすると、損失Ｗe＝２．２６→
１．０６ｋｗに低下する。
【００６３】但しこの場合総磁束が低下するために、
図５の一点鎖線のグラフで示すように、磁束密度の最大
値を、２割アップ（図４の（イ）から（ロ））させる必
要がある。上記アップ分を考慮して損失の補正値（二点
鎖線）を求めると、Ｗe＝１．２８ｋｗになる。したが
って本発明の適用により、立ち上がり区間：α＝１０ｄ
ｅｇを選べば、同一の負荷能力と剛性を維持したまま
で、渦電流損失は１／２弱に低減できることがわかる。
図５の一点鎖線のグラフで示すように、磁束密度の最大
値を、２割アップ（図４の（イ）から（ロ））させる必
要がある。上記アップ分を考慮して損失の補正値（二点
鎖線）を求めると、Ｗe＝１．２８ｋｗになる。したが
って本発明の適用により、立ち上がり区間：α＝１０ｄ
ｅｇを選べば、同一の負荷能力と剛性を維持したまま
で、渦電流損失は１／２弱に低減できることがわかる。
【００６４】また従来の一般的な電磁石Ｃ（図１３）に
ついて、その磁束密度分布（図１４）を用いた場合の解
析結果を、本発明の電磁石Ａとの対比のもとで、表１に
示す。
ついて、その磁束密度分布（図１４）を用いた場合の解
析結果を、本発明の電磁石Ａとの対比のもとで、表１に
示す。
【００６５】
【表１】
【００６６】電磁石Ｃの結果は、その磁束密度分布の
最大値を前述した電磁石Ａと同一にした場合（Ｂｍａｘ
＝Ｂ0）を示す。但し同一の剛性・負荷能力の条件下で
損失の大きさを評価するためには、台形波に近い電磁石
Ａと比べて、方形波に近い電磁石Ｃの磁束密度の最大値
をアップさせる必要がある。がその補正した結果を示
す。表１の結果を要約すれば、同じ剛性・負荷能力を得
るという前提条件のもとで、本発明の上記実施例（電磁
石Ａ）は、従来の一般的な磁気軸受（電磁石Ｃ）と比べ
て、損失を１／２に低減できることがわかる。
最大値を前述した電磁石Ａと同一にした場合（Ｂｍａｘ
＝Ｂ0）を示す。但し同一の剛性・負荷能力の条件下で
損失の大きさを評価するためには、台形波に近い電磁石
Ａと比べて、方形波に近い電磁石Ｃの磁束密度の最大値
をアップさせる必要がある。がその補正した結果を示
す。表１の結果を要約すれば、同じ剛性・負荷能力を得
るという前提条件のもとで、本発明の上記実施例（電磁
石Ａ）は、従来の一般的な磁気軸受（電磁石Ｃ）と比べ
て、損失を１／２に低減できることがわかる。
【００６７】IV．本実施例の補足説明とその他の実施例 さてラジアル磁気軸受の設計の選択肢のなかで、回転数
と主軸径が妥協できない条件であるとすれば、電磁鋼板
の選択には強度と損失の点で、またバイアス電流、磁極
の幅の選択では負荷能力・剛性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。
と主軸径が妥協できない条件であるとすれば、電磁鋼板
の選択には強度と損失の点で、またバイアス電流、磁極
の幅の選択では負荷能力・剛性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。
【００６８】本発明は回転子鉄芯側ではなく、固定子の
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。この誘起起電力による渦電流の電流密
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。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。
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。この誘起起電力による渦電流の電流密
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。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。
【００６９】渦電流損失を求める基礎式（１１式）を用
いて説明するならば、磁束密度の変化率が大きい程、高
調波成分を多く含むために、高い次数ｎでのフーリェ係
数ａ nが大きい。したがって、高調波成分の項：
いて説明するならば、磁束密度の変化率が大きい程、高
調波成分を多く含むために、高い次数ｎでのフーリェ係
数ａ nが大きい。したがって、高調波成分の項：
【００７０】
【数１５】
【００７１】は欠して無視出来ないオーダーとなるので
ある。本発明の上記実施例では、回転子の一点が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。すなわち磁束密度分布に、あ
たかもカム曲線のごとく、充分に長い立ち上がり区間
（助走区間）と立ち下がり区間（減速区間）を設けるこ
とにより、渦電流損の発生を抑制して発熱の大幅な低減
が図れるのである。
ある。本発明の上記実施例では、回転子の一点が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。すなわち磁束密度分布に、あ
たかもカム曲線のごとく、充分に長い立ち上がり区間
（助走区間）と立ち下がり区間（減速区間）を設けるこ
とにより、渦電流損の発生を抑制して発熱の大幅な低減
が図れるのである。
【００７２】また磁束密度分布に立ち上がり区間と立ち
下がり区間を設ける効果は、損失の低減だけではない。
磁気軸受の負荷能力と剛性は磁束密度分布の総面積で決
まるために、磁束密度分布が方形波に近い従来磁気軸受
と比べて、台形波に近い本実施例では総面積を大きくと
れるために有利となる。
下がり区間を設ける効果は、損失の低減だけではない。
磁気軸受の負荷能力と剛性は磁束密度分布の総面積で決
まるために、磁束密度分布が方形波に近い従来磁気軸受
と比べて、台形波に近い本実施例では総面積を大きくと
れるために有利となる。
【００７３】図６は本発明の第二の実施例であり、磁極
配置がＮＳＳＮ型に本発明を適用した場合を示す。図７
に図６の磁極の磁束密度分布を示す。
配置がＮＳＳＮ型に本発明を適用した場合を示す。図７
に図６の磁極の磁束密度分布を示す。
【００７４】５１はロータ、５２はステータ部であり、
このステータ部５２は８極の独立した磁極から構成され
たＮＳＳＮ型を採用している。すなわち、４つのＮ極５
３ａ〜５３ｄと４つのＳ極５４ａ〜５４ｄで構成され、
同極の磁極がペアーで隣り合わせに並び、円周方向で交
互に配置された構成となっている。ここでふたつのＮ極
５３ａ，５３ｂに注目すると、５５、５６は磁極５３ａ
内面の両端部に形成された傾斜部、５７、５８は真円
部、５９はスロット部、６０〜６２はそれぞれの磁極を
位置決めして締結するための連結部、６３、６４は巻き
線の収納部である。実施例では磁極の異極側では、磁極
の端部から同芯部の間はゆるやかな傾斜部で結び、同極
側では、磁束密度の変化は少ないために、磁極内面の形
状は従来通りのロータの軸芯に同芯円にしている。上記
構成により、図７と図４を比較すればわかるように、Ｎ
ＳＳＮ型の場合と比べて磁束密度分布の総面積が大きく
できるため、損失、剛性、負荷能力の点で有利となる。
このステータ部５２は８極の独立した磁極から構成され
たＮＳＳＮ型を採用している。すなわち、４つのＮ極５
３ａ〜５３ｄと４つのＳ極５４ａ〜５４ｄで構成され、
同極の磁極がペアーで隣り合わせに並び、円周方向で交
互に配置された構成となっている。ここでふたつのＮ極
５３ａ，５３ｂに注目すると、５５、５６は磁極５３ａ
内面の両端部に形成された傾斜部、５７、５８は真円
部、５９はスロット部、６０〜６２はそれぞれの磁極を
位置決めして締結するための連結部、６３、６４は巻き
線の収納部である。実施例では磁極の異極側では、磁極
の端部から同芯部の間はゆるやかな傾斜部で結び、同極
側では、磁束密度の変化は少ないために、磁極内面の形
状は従来通りのロータの軸芯に同芯円にしている。上記
構成により、図７と図４を比較すればわかるように、Ｎ
ＳＳＮ型の場合と比べて磁束密度分布の総面積が大きく
できるため、損失、剛性、負荷能力の点で有利となる。
【００７５】またいずれの実施例も、磁極内面に形成す
る傾斜面をなだらかな曲面にすれば、高調波成分を低減
できるため一層の低損失化が図れる。図８は前述した第
一の実施例の磁極の内面に曲面を形成した例を示す。７
０は磁極、７１は曲面部、７２は真円部である。
る傾斜面をなだらかな曲面にすれば、高調波成分を低減
できるため一層の低損失化が図れる。図８は前述した第
一の実施例の磁極の内面に曲面を形成した例を示す。７
０は磁極、７１は曲面部、７２は真円部である。
【００７６】以上の実施例はいずれも磁極の内面に傾斜
面を形成して、磁極とロータ間の間隙（エアーギャッ
プ）を円周方向で変化させることにより、磁束密度分布
に立ち上がり、立ち下がり特性を持たせたものであっ
た。
面を形成して、磁極とロータ間の間隙（エアーギャッ
プ）を円周方向で変化させることにより、磁束密度分布
に立ち上がり、立ち下がり特性を持たせたものであっ
た。
【００７７】図９は本発明の第三の実施例を示すもので
あり、たとえばＮ極→エアーギャップ→ロータ→エアー
ギャップ→Ｓ極と形成される磁気回路のなかで、巻線部
から磁極端部に至る経路で磁路の幅（面積）が小さくな
る部分を形成することにより、磁束密度分布に長い区間
での立ち上がり、立ち下がり特性を持たせたものであ
る。したがって本実施例では、磁極の内面形状はロータ
と同芯円ででよい。
あり、たとえばＮ極→エアーギャップ→ロータ→エアー
ギャップ→Ｓ極と形成される磁気回路のなかで、巻線部
から磁極端部に至る経路で磁路の幅（面積）が小さくな
る部分を形成することにより、磁束密度分布に長い区間
での立ち上がり、立ち下がり特性を持たせたものであ
る。したがって本実施例では、磁極の内面形状はロータ
と同芯円ででよい。
【００７８】３１はロータ、３２はステータ部であり、
このステータ部３２は８極の独立した磁極から構成され
たＮＳＮＳ型を採用している。すなわち、４つのＮ極３
３ａ〜３３ｄと４つのＳ極３４ａ〜３４ｄが円周方向で
交互に配置された構成となっている。ここでひとつのＮ
極３３ａに注目すると、磁極のロータ側内面と巻き線の
収納部３７、３８の間に、磁路の円周方向の幅が狭いく
びれた部分：空隙部３５，３６が形成されている。３
９、４０はスロット部、４１、４２はそれぞれの磁極を
位置決めして締結するための連結部である。図９におい
て、外周部に巻線を有する点ａから磁極の端部ｂに至る
経路で、角度αの区間で、磁路の幅がｄ1からｄ2に絞ら
れている部分が磁極に形成されている。一方角度βの区
間では、磁路の幅ｄ1が磁束を通すのに有効な通路とな
っている。上記磁極の形状により、磁極内面とロータ２
１の間で形成される磁束密度分布は円周方向で均一とな
らず、疑似的な台形波となる。
このステータ部３２は８極の独立した磁極から構成され
たＮＳＮＳ型を採用している。すなわち、４つのＮ極３
３ａ〜３３ｄと４つのＳ極３４ａ〜３４ｄが円周方向で
交互に配置された構成となっている。ここでひとつのＮ
極３３ａに注目すると、磁極のロータ側内面と巻き線の
収納部３７、３８の間に、磁路の円周方向の幅が狭いく
びれた部分：空隙部３５，３６が形成されている。３
９、４０はスロット部、４１、４２はそれぞれの磁極を
位置決めして締結するための連結部である。図９におい
て、外周部に巻線を有する点ａから磁極の端部ｂに至る
経路で、角度αの区間で、磁路の幅がｄ1からｄ2に絞ら
れている部分が磁極に形成されている。一方角度βの区
間では、磁路の幅ｄ1が磁束を通すのに有効な通路とな
っている。上記磁極の形状により、磁極内面とロータ２
１の間で形成される磁束密度分布は円周方向で均一とな
らず、疑似的な台形波となる。
【００７９】本発明の適用において、磁極がロータに面
する部分以外の磁路形状の工夫、たとえば上記第三の実
施例で示したように、磁路にくびれた部分（空隙部）を
形成することにより、磁束密度分布を与えてもよいが、
エアーギャップの設定で与える方法（第一、第二の実施
例）と組み合わせてもよい（図示せず）。
する部分以外の磁路形状の工夫、たとえば上記第三の実
施例で示したように、磁路にくびれた部分（空隙部）を
形成することにより、磁束密度分布を与えてもよいが、
エアーギャップの設定で与える方法（第一、第二の実施
例）と組み合わせてもよい（図示せず）。
【００８０】さて立ち上がり・立ち下がり区間の大きさ
をどの程度に設定したらよいか、という点について考察
する。第一の実施例を例にとると、図５のグラフから角
度α＝０の状態からαを大きくしていくと、損失は急激
に低減することがわかる。ラジアル電磁石は通常８コの
磁極から構成されるが、高い精度を確保するためには、
各磁極の損失（すなわち発熱量）を均一にしてスピンド
ルの熱変形を軸対称に保つ方が好ましい。したがって磁
極形状の加工精度のばらつきなどを考慮すると、この急
峻に変化する部分を避けて、曲線の変曲点であるα＝７
度以上で用いるのが好ましい。磁極の一個分がラジアル
軸受として受け持つ角度をψ（＝α＋β＋γ）として、
実施例の場合のψ＝４５度の結果から得られる知見を一
般化すれば、α／ψ＞０．１５となるように、立ち上が
り・立ち下がり区間（たとえば傾斜面を形成する個所）
を決めればよい。
をどの程度に設定したらよいか、という点について考察
する。第一の実施例を例にとると、図５のグラフから角
度α＝０の状態からαを大きくしていくと、損失は急激
に低減することがわかる。ラジアル電磁石は通常８コの
磁極から構成されるが、高い精度を確保するためには、
各磁極の損失（すなわち発熱量）を均一にしてスピンド
ルの熱変形を軸対称に保つ方が好ましい。したがって磁
極形状の加工精度のばらつきなどを考慮すると、この急
峻に変化する部分を避けて、曲線の変曲点であるα＝７
度以上で用いるのが好ましい。磁極の一個分がラジアル
軸受として受け持つ角度をψ（＝α＋β＋γ）として、
実施例の場合のψ＝４５度の結果から得られる知見を一
般化すれば、α／ψ＞０．１５となるように、立ち上が
り・立ち下がり区間（たとえば傾斜面を形成する個所）
を決めればよい。
【００８１】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、歯幅が大きくすなわちスロット幅が小さく、かつ傾
斜面を持つ異形の磁極を適用できる。たとえば、図２の
拡大図に示すように傾斜面５、６を充分に長い区間に形
成するために、歯幅Ｂ1を巻線部の幅Ｂ2よりも大きくと
る場合でも、分割工法をもちいれば従来の磁気軸受電磁
石ではできなかった巻線処理ができる。また磁極を単独
のユニットで扱えるために、コイルを収納する空間いっ
ぱいに高密度の巻線ができ、積層して組み立る作業も容
易にできる。すなわち電磁石の歯幅を大きくとれること
により、磁極内面の傾斜面あるいは磁気抵抗に円周方向
分布を与えるためのくびれた部分（図９の３５）を充分
に長い区間に余裕をもって形成できる。その結果、充分
な長さの磁束密度の立ち上がり・立ち下がり区間を設け
ることができ、損失の大幅な低減が図れるのである。
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、歯幅が大きくすなわちスロット幅が小さく、かつ傾
斜面を持つ異形の磁極を適用できる。たとえば、図２の
拡大図に示すように傾斜面５、６を充分に長い区間に形
成するために、歯幅Ｂ1を巻線部の幅Ｂ2よりも大きくと
る場合でも、分割工法をもちいれば従来の磁気軸受電磁
石ではできなかった巻線処理ができる。また磁極を単独
のユニットで扱えるために、コイルを収納する空間いっ
ぱいに高密度の巻線ができ、積層して組み立る作業も容
易にできる。すなわち電磁石の歯幅を大きくとれること
により、磁極内面の傾斜面あるいは磁気抵抗に円周方向
分布を与えるためのくびれた部分（図９の３５）を充分
に長い区間に余裕をもって形成できる。その結果、充分
な長さの磁束密度の立ち上がり・立ち下がり区間を設け
ることができ、損失の大幅な低減が図れるのである。
【００８２】第１０図は上記工法を第一の実施例（第１
図）に用いる場合の磁極一個分の形状を示すもある。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分割工法は公知であるが、本発明
で提示したような低損失化を目的とする特殊な形状の磁
極から構成される磁気軸受に、上記工法を適用した前例
は現在のところ見あたらない。ちなみに極分割工法の一
例を上げると、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。
図）に用いる場合の磁極一個分の形状を示すもある。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分割工法は公知であるが、本発明
で提示したような低損失化を目的とする特殊な形状の磁
極から構成される磁気軸受に、上記工法を適用した前例
は現在のところ見あたらない。ちなみに極分割工法の一
例を上げると、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。
【００８３】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。
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。
【００８４】
【発明の効果】本発明を用いれば、従来磁気軸受とほと
んど変わらないシンプルな構成で、磁気軸受の回転子に
発生する渦電流損失による発熱を大幅に低減することが
できる。その結果、主軸の温度上昇を抑制できるため、
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
精度を確保できる。
んど変わらないシンプルな構成で、磁気軸受の回転子に
発生する渦電流損失による発熱を大幅に低減することが
できる。その結果、主軸の温度上昇を抑制できるため、
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
精度を確保できる。
【００８５】また本発明は、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。従来磁気軸受の高速時
の課題が解消されるため、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。
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。従来磁気軸受の高速時
の課題が解消されるため、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１】本発明にかかる第一の実施の形態であるラジア
ル磁気軸受の電磁石Ａの原理図
ル磁気軸受の電磁石Ａの原理図
【図２】図１の電磁石の拡大図
【図３】渦電流損失解析のためのモデル図
【図４】本発明の第一の実施の形態である磁極の磁束密
度分布を示す図
度分布を示す図
【図５】渦電流損失の解析結果で、損失と立ち上がり区
間の長さの関係を示すグラフ
間の長さの関係を示すグラフ
【図６】本発明にかかる第二の実施の形態であるラジア
ル磁気軸受の電磁石の原理図
ル磁気軸受の電磁石の原理図
【図７】本発明の第二の実施の形態である磁極の磁束密
度分布を示す図
度分布を示す図
【図８】本発明の実施の形態である曲面形状の磁極を示
す図
す図
【図９】本発明にかかる第三の実施の形態であるラジア
ル磁気軸受の電磁石の原理図
ル磁気軸受の電磁石の原理図
【図１０】極分割工法を用いた場合の磁極一個分の矢視
図
図
【図１１】立ち上がり、立ち下がり区間をゼロとした場
合の電磁石Ｂの原理図
合の電磁石Ｂの原理図
【図１２】図９の電磁石の磁束密度分布を示す図
【図１３】従来の一般的な磁気軸受の電磁石Ｃの原理図
【図１４】図１２の電磁石Ｃの磁束密度分布を示す図
【図１５】従来の磁気軸受スピンドルの正面断面図
【図１６】従来のラジアル磁気軸受を示す図で（イ）は
正面図、（ロ）は側面図
正面図、（ロ）は側面図
１ ロータ ２ ステータ部 ３−１ Ｎ極 ４−１ Ｓ極
Claims (9)
- 【請求項１】 モータによって回転駆動される回転軸の
軸径方向荷重を支持するラジアル磁気軸受において、こ
のラジアル軸受の固定側であるステータ部は、Ｎ極とＳ
極の磁極が円周方向に配置されており、かつラジアル軸
受の回転側であるロータと前記磁極のロータに面する内
面との間に形成される磁束密度分布は、前記磁極端部か
ら前記磁極中央に向けて円周方向で徐々に増加していく
分布を持つように前記磁極の形状が形成されていること
を特徴とする磁気軸受装置。 - 【請求項２】 磁束密度は、２つの磁極の境界から円周
方向の区間で傾斜した分布をもち、磁極の中央部におい
ては平坦な分布をもつことを特徴とする請求項１記載の
磁気軸受装置。 - 【請求項３】 磁極の内面とロータの間で形成される磁
路の間隙が、前記磁極の端部から円周方向の磁極の中央
部に向けて円周方向で狭くなるように前記磁極の内面に
傾斜面が形成されていることを特徴とする請求項１記載
の磁気軸受装置。 - 【請求項４】 磁極中央部の内面には、均一な磁路の間
隙を保つように前記ロータの同芯円が形成されているこ
とを特徴とする請求項３記載の磁気軸受装置。 - 【請求項５】 磁束密度が磁極端部から磁極中央に向け
て円周方向で徐々に増加していく分布を持つ区間をα、
ラジアル電磁石として磁極一個分が受け持つ角度をψと
したとき、α／ψ＞０．１５としたことを特徴とする請
求項１記載の磁気軸受装置。 - 【請求項６】 ＮＳＳＮ型の磁極配置からなるラジアル
電磁石に於いて、磁束密度は異極側磁極との境界の中間
点から円周方向の区間αで徐々に増加していく分布をも
ち、同極側磁極との境界の中間点から円周方向の区間で
は概略平坦な分布をもつことを特徴とする請求項１記載
の磁気軸受装置。 - 【請求項７】 ＮＳＳＮ型の磁極配置からなるラジアル
電磁石に於いて、一つの磁極と隣り合わせにある異極側
の磁極端部の内面とロータの間隙をδ1、同極側の磁極
端部の内面とロータの間隙をδ2としたとき、δ1＞δ2
であること特徴とする請求項１記載の磁気軸受装置。 - 【請求項８】 巻線部から磁極端部に至る磁気回路の中
で、磁路面積が減少する部分を磁極に形成したことを特
徴とする請求項１記載の磁気軸受装置。 - 【請求項９】 ステータ部が複数個のコアーピースに分
割して組み立てる分割工法から構成されることを特徴と
する請求項１記載の磁気軸受装置。
Priority Applications (4)
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|---|---|---|---|
| JP11831998A JP3882334B2 (ja) | 1998-04-28 | 1998-04-28 | 磁気軸受装置 |
| US09/301,476 US6194800B1 (en) | 1998-04-28 | 1999-04-28 | Magnetic bearing |
| EP99108299A EP0953781B1 (en) | 1998-04-28 | 1999-04-28 | Magnetic bearing |
| DE69924556T DE69924556D1 (de) | 1998-04-28 | 1999-04-28 | Magnetlager |
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|---|---|---|---|
| JP11831998A JP3882334B2 (ja) | 1998-04-28 | 1998-04-28 | 磁気軸受装置 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11311250A true JPH11311250A (ja) | 1999-11-09 |
| JP3882334B2 JP3882334B2 (ja) | 2007-02-14 |
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ID=14733736
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11831998A Expired - Fee Related JP3882334B2 (ja) | 1998-04-28 | 1998-04-28 | 磁気軸受装置 |
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|---|---|
| JP (1) | JP3882334B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2020155368A (ja) * | 2019-03-22 | 2020-09-24 | 住友重機械工業株式会社 | 粒子加速器 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JPS6348345U (ja) * | 1986-09-16 | 1988-04-01 | ||
| JPS63277443A (ja) * | 1987-05-07 | 1988-11-15 | Fuji Electric Co Ltd | 配管内蔵形発電装置 |
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| JPH09236123A (ja) * | 1996-02-29 | 1997-09-09 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 磁気軸受装置 |
| JPH1047348A (ja) * | 1996-08-02 | 1998-02-17 | Yaskawa Electric Corp | ラジアル磁気軸受の固定子 |
-
1998
- 1998-04-28 JP JP11831998A patent/JP3882334B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3882334B2 (ja) | 2007-02-14 |
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