JPH11346457A - 磁気軸受装置 - Google Patents
磁気軸受装置Info
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- JPH11346457A JPH11346457A JP15429398A JP15429398A JPH11346457A JP H11346457 A JPH11346457 A JP H11346457A JP 15429398 A JP15429398 A JP 15429398A JP 15429398 A JP15429398 A JP 15429398A JP H11346457 A JPH11346457 A JP H11346457A
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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】 円周方向で複数個の同極の磁極と複数個
の異極の磁極が交互に配置されたラジアル軸受の固定側
において、一つの磁極３ａに着目したとき、その磁極自
身の異極側磁極４ｄと同極側磁極３ｂの形状あるいはそ
の磁極と隣り合わせにある異極側磁極と同極側磁極の相
対位置関係を非対称に形成することにより、回転子１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、渦電流損と発熱の大幅な低減を図る。
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】 円周方向で複数個の同極の磁極と複数個
の異極の磁極が交互に配置されたラジアル軸受の固定側
において、一つの磁極３ａに着目したとき、その磁極自
身の異極側磁極４ｄと同極側磁極３ｂの形状あるいはそ
の磁極と隣り合わせにある異極側磁極と同極側磁極の相
対位置関係を非対称に形成することにより、回転子１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、渦電流損と発熱の大幅な低減を図る。
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に用いられる磁
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に用いられる磁
気軸受スピンドルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】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。
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。
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。
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。
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１１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。
【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。
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。
【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。
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。
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１２（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１１のロータ５０１
に相当）、６０１は固定子鉄芯（図１３のステータ５０
２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１１のロータ５０１
に相当）、６０１は固定子鉄芯（図１３のステータ５０
２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。
【００１２】さて回転子鉄芯中の一点は回転によって、
図１２（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。
図１２（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。
【００１３】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。
【００１４】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。
【００１５】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。
【００１６】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。
【００１７】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。
〜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。
【００１８】さて本発明者は既に、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、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
の低減を図る方法を特願平１０−１１８３１９号にて提
案している。
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、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
の低減を図る方法を特願平１０−１１８３１９号にて提
案している。
【００１９】本発明は上記提案をさらに改善したもの
で、磁気軸受スピンドルのさらなる低損失化と高速・高
剛性化（高ＤＮ値化）を同時に実現する磁気軸受装置を
提供するものである。
で、磁気軸受スピンドルのさらなる低損失化と高速・高
剛性化（高ＤＮ値化）を同時に実現する磁気軸受装置を
提供するものである。
【００２０】
【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
アル磁気軸受の固定側であるステータ部は、円周方向で
複数個の同極の磁極と前記磁極とは極の異なる複数個の
磁極が交互に配置されており、かつ異極側磁極と同極側
磁極を左右に配置した一つの磁極に着目したとき、前記
磁極の異極側磁極と同極側磁極の形状あるいはその磁極
と隣り合わせにある異極側磁極と同極側磁極の相対位置
関係は非対称となるように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
アル磁気軸受の固定側であるステータ部は、円周方向で
複数個の同極の磁極と前記磁極とは極の異なる複数個の
磁極が交互に配置されており、かつ異極側磁極と同極側
磁極を左右に配置した一つの磁極に着目したとき、前記
磁極の異極側磁極と同極側磁極の形状あるいはその磁極
と隣り合わせにある異極側磁極と同極側磁極の相対位置
関係は非対称となるように磁極の形状が形成されてい
る。
【００２１】
【発明の実施の形態】（実施の形態１）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ＮＳＳＮ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３ａ、３ｂに注目すると、５、６はロータ１と
同芯の真円部、７〜９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、１０〜１３は巻き線の収納部で
ある。巻線は１０〜１３のみ図示し、他の磁極では省略
している。１４、１５は異極同士（ＮとＳ）の磁極間の
間隙部であるスロット部、１６は同極間（ＮとＮ）のス
ロット部である。５〜１６は他の磁極にも同様に形成さ
れている。
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ＮＳＳＮ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３ａ、３ｂに注目すると、５、６はロータ１と
同芯の真円部、７〜９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、１０〜１３は巻き線の収納部で
ある。巻線は１０〜１３のみ図示し、他の磁極では省略
している。１４、１５は異極同士（ＮとＳ）の磁極間の
間隙部であるスロット部、１６は同極間（ＮとＮ）のス
ロット部である。５〜１６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、同極間のスロット部１６のスロット幅Ｓ2を、
異極間のスロット部１４のスロット幅をＳ1＝１６ｄｅ
ｇ比べて、かなり小さく、Ｓ2＝４ｄｅｇに設定した。
例では、同極間のスロット部１６のスロット幅Ｓ2を、
異極間のスロット部１４のスロット幅をＳ1＝１６ｄｅ
ｇ比べて、かなり小さく、Ｓ2＝４ｄｅｇに設定した。
【００２３】一方、本実施形態と比較するため図１３
に、上記スロット幅：Ｓ1＝Ｓ2＝１６ｄｅｇとした従来
のラジアル磁気軸受電磁石Ｂの原理図を示す。同図にお
いて、１５１はロータ、１５２はステータ部である。こ
のステータ部も、４つのＮ極１５３ａ〜１５３ｄと４つ
のＳ極１５４ａ〜１５４ｄ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
ＮＳＳＮ型の構成となっている。ここで一つの磁極１５
３ａに注目すると、１５５、１５６は巻き線の収納部
（巻線は図示せず）である。１５７、１５８は異極間及
び同極間の間隙部であるスロット部であり、それぞれの
スロット幅は電磁石Ａの場合とは異なり等しくなってい
る。
に、上記スロット幅：Ｓ1＝Ｓ2＝１６ｄｅｇとした従来
のラジアル磁気軸受電磁石Ｂの原理図を示す。同図にお
いて、１５１はロータ、１５２はステータ部である。こ
のステータ部も、４つのＮ極１５３ａ〜１５３ｄと４つ
のＳ極１５４ａ〜１５４ｄ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
ＮＳＳＮ型の構成となっている。ここで一つの磁極１５
３ａに注目すると、１５５、１５６は巻き線の収納部
（巻線は図示せず）である。１５７、１５８は異極間及
び同極間の間隙部であるスロット部であり、それぞれの
スロット幅は電磁石Ａの場合とは異なり等しくなってい
る。
【００２４】上述した電磁石Ａと電磁石Ｂの渦電流損失
を、後述する損失解析によって求めた結果を以下の表１
に示す。
を、後述する損失解析によって求めた結果を以下の表１
に示す。
【００２５】
【表１】
【００２６】上記表１の結果から分かるように、磁極の
同極間の間隙：Ｓ2を異極間の間隙Ｓ1よりも充分に小さ
くした電磁石Ａ（本実施例）は、同極間、異極間共間隙
が等しい電磁石Ｂ（従来例）と比べて、損失が大幅に低
下している。
同極間の間隙：Ｓ2を異極間の間隙Ｓ1よりも充分に小さ
くした電磁石Ａ（本実施例）は、同極間、異極間共間隙
が等しい電磁石Ｂ（従来例）と比べて、損失が大幅に低
下している。
【００２７】この理由について、以下渦電流損失の理論
解析により詳しく説明する。 Ｉ．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。
解析により詳しく説明する。 Ｉ．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。
【００２８】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
平板導体に座標をとり、かつこの平板導体には
【００２９】
【数１】
【００３０】で表される磁束が鎖交しているものとす
る。なお、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、ＮＳＮＳ型の場合はｍ＝４、ＮＳＳＮ型の場合はｍ
＝２である。
る。なお、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、ＮＳＮＳ型の場合はｍ＝４、ＮＳＳＮ型の場合はｍ
＝２である。
【００３１】また、電磁誘導論より
【００３２】
【数２】
【００３３】ここでＪは電流密度
【００３４】
【数３】
【００３５】、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：
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：
【００３６】
【数４】
【００３７】、またｚ方向は均一とすると、
【００３８】
【数５】
【００３９】となる。
【００４０】
【数６】
【００４１】渦電流損：
【００４２】
【数７】
【００４３】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、
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、
【００４４】
【数８】
【００４５】であるため
【００４６】
【数９】
【００４７】ここで、時間とｘ方向の平均の項は、
【００４８】
【数１０】
【００４９】ｙ方向の平均の項は
【００５０】
【数１１】
【００５１】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：
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：
【００５２】
【数１２】
【００５３】が求まる。
【００５４】
【数１３】
【００５５】であるため
【００５６】
【数１４】
【００５７】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て説明したが、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１４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
曲線を正弦波で近似して説明したが、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１４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
【００５８】
【数１５】
【００５９】このときの渦電流損失：
【００６０】
【数１６】
【００６１】は、（８）式の代わりに次式になる。
【００６２】
【数１７】
【００６３】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
【００６４】
【数１８】
【００６５】に比例するとすると（１０）式は
【００６６】
【数１９】
【００６７】（１１）式において、
【００６８】
【数２０】
【００６９】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。 II．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った。また左右の磁極間の
間隙が等しい軸受構造（図１３の電磁石Ｂ）との対比の
もとで、実施例の損失低減の効果を評価する。
波等）で決まるフーリエ係数である。 II．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った。また左右の磁極間の
間隙が等しい軸受構造（図１３の電磁石Ｂ）との対比の
もとで、実施例の損失低減の効果を評価する。
【００７０】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、異極間の間隙Ｓ1＝１６ｄｅｇ、同極
間の間隙Ｓ2＝４ｄｅｇ、同極間を近接させる角度Δθ
＝６ｄｅｇの場合の磁束密度分布を示す。間隙部０＜θ
＜８ｄｅｇ（＝Ｓ 1／２）の全区間では、理論的にはＢ
＝０のはずである。しかし実際の電磁石では、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。そのため本
解析では５＜θ＜８ｄｅｇの微小な範囲で磁界の分布に
傾斜角をもたせている。電磁石Ａの同極側も同様であ
る。また本発明と比較するため図１３に示した従来の電
磁石Ｂの磁束密度分布の場合も、上記理由により、図１
４に示すようにスロット幅（Ｓ1＝Ｓ2＝１６ｄｅｇ）の
区間で、同じ傾斜角をもたせている。
９０度の区間で、異極間の間隙Ｓ1＝１６ｄｅｇ、同極
間の間隙Ｓ2＝４ｄｅｇ、同極間を近接させる角度Δθ
＝６ｄｅｇの場合の磁束密度分布を示す。間隙部０＜θ
＜８ｄｅｇ（＝Ｓ 1／２）の全区間では、理論的にはＢ
＝０のはずである。しかし実際の電磁石では、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。そのため本
解析では５＜θ＜８ｄｅｇの微小な範囲で磁界の分布に
傾斜角をもたせている。電磁石Ａの同極側も同様であ
る。また本発明と比較するため図１３に示した従来の電
磁石Ｂの磁束密度分布の場合も、上記理由により、図１
４に示すようにスロット幅（Ｓ1＝Ｓ2＝１６ｄｅｇ）の
区間で、同じ傾斜角をもたせている。
【００７１】渦電流損の計算結果 図５は、本発明の電磁石Ａの渦電流損失低減の効果を、
次の条件で求めた解析結果である。
次の条件で求めた解析結果である。
【００７２】磁極の異極側との間隙Ｓ1は、電磁石Ｂ
と同様にＳ1＝１６ｄｅｇに設定した。
と同様にＳ1＝１６ｄｅｇに設定した。
【００７３】磁極の同極側との間隙Ｓ2は、電磁石Ｂ
の場合（Ｓ2＝１６ｄｅｇ）を基準（Δθ＝０）とし
て、Ｓ1＞Ｓ2となるように、Ｓ2を２Δθｄｅｇだけ小
さくした。
の場合（Ｓ2＝１６ｄｅｇ）を基準（Δθ＝０）とし
て、Ｓ1＞Ｓ2となるように、Ｓ2を２Δθｄｅｇだけ小
さくした。
【００７４】図５は、渦電流損失と上記Δθｄｅｇ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．
６×１０-7Ωｍ）、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．
０００３５ｍ）を用いている。また
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．
６×１０-7Ωｍ）、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．
０００３５ｍ）を用いている。また
【００７５】
【数２１】
【００７６】そして、図５の解析結果から以下の点が得
られた。 同極間と異極間の間隙が等しい（Ｓ1＝Ｓ2＝１６ｄｅ
ｇ）の電磁石Ｂ（図１３）の場合、Δθ＝０であり、損
失Ｗe＝１．５ｋｗである。
られた。 同極間と異極間の間隙が等しい（Ｓ1＝Ｓ2＝１６ｄｅ
ｇ）の電磁石Ｂ（図１３）の場合、Δθ＝０であり、損
失Ｗe＝１．５ｋｗである。
【００７７】電磁石Ａの同極間の間隙：Ｓ2を小さく
していくと、０＜Δθ＜４．０ｄｅｇ（＝Ｓ1）の区間
では、損失動力Ｗｅはなだらかに減少していく。しかし
Δθ＞４．０ｄｅｇになると損失は大幅に低下して、Δ
θ＝６．５ｄｅｇで最小値：Ｗｅ＝０．８５ｋｗにな
る。
していくと、０＜Δθ＜４．０ｄｅｇ（＝Ｓ1）の区間
では、損失動力Ｗｅはなだらかに減少していく。しかし
Δθ＞４．０ｄｅｇになると損失は大幅に低下して、Δ
θ＝６．５ｄｅｇで最小値：Ｗｅ＝０．８５ｋｗにな
る。
【００７８】但しこの場合、Δθ＝０の場合と比較す
ると総磁束が増加するために、磁束密度の最大値を若干
低減させてもよい。Δθ＝０とΔθ＝６．５ｄｅｇの場
合の磁束密度分布の面積比較から、Ｗｅ＝０．８５→
０．７１ｋｗになる。
ると総磁束が増加するために、磁束密度の最大値を若干
低減させてもよい。Δθ＝０とΔθ＝６．５ｄｅｇの場
合の磁束密度分布の面積比較から、Ｗｅ＝０．８５→
０．７１ｋｗになる。
【００７９】なおΔθ＞６．５ｄｅｇとなると損失Ｗｅ
は再び増加していくが、これは計算上二つの磁極の磁束
が重なり合う区間の磁束密度が一個分の磁束密度の最大
値：Ｂ0を超えるからである。しかし磁束密度の最大
値：Ｂ0を超えることは現実には有り得ず、解析上有効
な区間は、Δθ≦６．５ｄｅｇである。
は再び増加していくが、これは計算上二つの磁極の磁束
が重なり合う区間の磁束密度が一個分の磁束密度の最大
値：Ｂ0を超えるからである。しかし磁束密度の最大
値：Ｂ0を超えることは現実には有り得ず、解析上有効
な区間は、Δθ≦６．５ｄｅｇである。
【００８０】したがって本発明の適用により、Δθ＝
６．５ｄｅｇ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以下に低減できる。
６．５ｄｅｇ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以下に低減できる。
【００８１】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。
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。
【００８２】本発明は回転子鉄芯側（ロータ）ではな
く、固定子側（ステータ）にある渦電流損の発生要因に
着目したものである。渦電流損はロータの磁極に対向す
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。前述したように、ロータの
一点に着目したとき、ロータの回転によって、このロー
タの一点に加わる磁束は、たとえばＮ→Ｓ→Ｓ→Ｎの順
で方向と大きさが変化する。その結果ロータ表面には、
変動する誘起起電力が生じて渦電流が流れる。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。
く、固定子側（ステータ）にある渦電流損の発生要因に
着目したものである。渦電流損はロータの磁極に対向す
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。前述したように、ロータの
一点に着目したとき、ロータの回転によって、このロー
タの一点に加わる磁束は、たとえばＮ→Ｓ→Ｓ→Ｎの順
で方向と大きさが変化する。その結果ロータ表面には、
変動する誘起起電力が生じて渦電流が流れる。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。
【００８３】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でのフーリエ係
数
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でのフーリエ係
数
【００８４】
【数２２】
【００８５】が大きい。したがって、高調波成分の項：
【００８６】
【数２３】
【００８７】は無視出来ないオーダーとなるのである。
さて本発明は、回転子の一点に注目したとき、損失を低
減させる方策が下記（１）（２）の場合で異なる、とい
う点に着目したものである。
さて本発明は、回転子の一点に注目したとき、損失を低
減させる方策が下記（１）（２）の場合で異なる、とい
う点に着目したものである。
【００８８】（１）磁束が異極間（Ｎ→ＳあるいはＳ→
Ｎ）で移り変わる場合。 （２）磁束が同極間（Ｎ→ＮあるいはＳ→Ｓ）で移り変
わる場合。
Ｎ）で移り変わる場合。 （２）磁束が同極間（Ｎ→ＮあるいはＳ→Ｓ）で移り変
わる場合。
【００８９】本発明をＮＳＳＮ型に適用したとき、磁束
密度の急峻な変化を抑制する方策は異極側と同極側では
異なる。すなわち、磁極単体の形状あるいは隣り合う磁
極の相対位置関係を異極側と同極側で非対称となるよう
に電磁石を構成する、というのが本発明のキーポイント
である。
密度の急峻な変化を抑制する方策は異極側と同極側では
異なる。すなわち、磁極単体の形状あるいは隣り合う磁
極の相対位置関係を異極側と同極側で非対称となるよう
に電磁石を構成する、というのが本発明のキーポイント
である。
【００９０】前述した第一の実施例はその具体策を示す
ものであり、異極側の磁極端部との間隙をＳ1、同極側
の間隙をＳ2としたとき、異極側は従来通りの間隙Ｓ1を
保ちつつ、同極側に関してのみＳ2→０とする。もし異
極同士を近接（Ｓ1→０）させれば、磁気回路はロータ
を介在せず、磁極同士で閉ループを描いてしまうため
に、磁気軸受としての機能が得られない。しかし同極同
士を近接させる方法は、磁気軸受の基本性能に与える影
響が少なく、かつ磁束密度分布が、図４で示すように、
平坦化する効果をもつ。その結果、上記（２）による渦
電流損失を大幅に低減できるのである。
ものであり、異極側の磁極端部との間隙をＳ1、同極側
の間隙をＳ2としたとき、異極側は従来通りの間隙Ｓ1を
保ちつつ、同極側に関してのみＳ2→０とする。もし異
極同士を近接（Ｓ1→０）させれば、磁気回路はロータ
を介在せず、磁極同士で閉ループを描いてしまうため
に、磁気軸受としての機能が得られない。しかし同極同
士を近接させる方法は、磁気軸受の基本性能に与える影
響が少なく、かつ磁束密度分布が、図４で示すように、
平坦化する効果をもつ。その結果、上記（２）による渦
電流損失を大幅に低減できるのである。
【００９１】（実施の形態２）図６は本発明の第二の実
施例であり、磁極配置がＮＳＳＮ型の電磁石に本発明を
適用した場合において、二つの同極の磁極を一体構造に
した場合を示す。
施例であり、磁極配置がＮＳＳＮ型の電磁石に本発明を
適用した場合において、二つの同極の磁極を一体構造に
した場合を示す。
【００９２】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極の磁極から構成されたＮＳＳ
Ｎ型を採用している。すなわち、４つのＮ極５３ａ〜５
３ｄ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。ただしペアーで配置された同
極の磁極（たとえば５３ａと５３ｂ）は機械的には一体
構造になっている。
このステータ部５２は８極の磁極から構成されたＮＳＳ
Ｎ型を採用している。すなわち、４つのＮ極５３ａ〜５
３ｄ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。ただしペアーで配置された同
極の磁極（たとえば５３ａと５３ｂ）は機械的には一体
構造になっている。
【００９３】ここでふたつのＮ極５３ａ、５３ｂに注目
すると、５４，５５は異極側のスロット部、５６、５７
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、５８〜６１は巻き線の収納部である。６２は境界部
Ａ、６３は境界部Ｂである。本実施例では、通常は機械
的に分離している境界部Ａが一体化しているために、磁
束密度分布を一層平坦化できさらなる低損失化が図れ
る。また境界部Ｂも一体化しているために、磁極５３
ａ、５３ｂを、組み立て時に単品の部品として取り扱う
ことができる。そのため本実施例の電磁石では、高密度
巻線ができる後述する極分割工法の適用ができる。
すると、５４，５５は異極側のスロット部、５６、５７
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、５８〜６１は巻き線の収納部である。６２は境界部
Ａ、６３は境界部Ｂである。本実施例では、通常は機械
的に分離している境界部Ａが一体化しているために、磁
束密度分布を一層平坦化できさらなる低損失化が図れ
る。また境界部Ｂも一体化しているために、磁極５３
ａ、５３ｂを、組み立て時に単品の部品として取り扱う
ことができる。そのため本実施例の電磁石では、高密度
巻線ができる後述する極分割工法の適用ができる。
【００９４】（実施の形態３）図７は本発明の第三の実
施例であり、磁極配置がＮＳＳＮ型の電磁石に本発明を
適用した場合において、上記（１）による渦電流損失の
大幅低減を図ったものである。すなわち、異極側磁極の
内面にゆるやかな傾斜部（磁束密度曲線の立ち上がり・
立ち下がり区間）を形成することにより、磁束密度の急
峻な変化を抑制する方策を施した場合を示す。
施例であり、磁極配置がＮＳＳＮ型の電磁石に本発明を
適用した場合において、上記（１）による渦電流損失の
大幅低減を図ったものである。すなわち、異極側磁極の
内面にゆるやかな傾斜部（磁束密度曲線の立ち上がり・
立ち下がり区間）を形成することにより、磁束密度の急
峻な変化を抑制する方策を施した場合を示す。
【００９５】７１はロータ、７２はステータ部であり、
このステータ部７２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７
３ａ〜７３ｄと４つのＳ極７４ａ〜７４ｄ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
７３ａ、７３ｂに注目すると、７５、７６は磁極７３
ａ、７３ｂ内面の両端部に形成された傾斜部、７７、７
８は真円部、７９，８０は異極側スロット部、８１〜８
３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、８４〜８７は巻き線の収納部、８８は同極側のスロ
ット部である。図８に磁極７３ａの部分拡大図を示す。
このステータ部７２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７
３ａ〜７３ｄと４つのＳ極７４ａ〜７４ｄ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
７３ａ、７３ｂに注目すると、７５、７６は磁極７３
ａ、７３ｂ内面の両端部に形成された傾斜部、７７、７
８は真円部、７９，８０は異極側スロット部、８１〜８
３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、８４〜８７は巻き線の収納部、８８は同極側のスロ
ット部である。図８に磁極７３ａの部分拡大図を示す。
【００９６】実施例では、異極側磁極の端部から同芯部
の区間：αはゆるやかな傾斜面を磁極内面に形成し、同
極側の区間：βでは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。また異極間の間隙：Ｓ
1は、第一の実施例と異なり、充分に小さくＳ1＝６ｄｅ
ｇに設定した。また同極間の間隙はＳ2＝４ｄｅｇであ
る。上記Ｓ1、Ｓ2を一定に保ったままで、立ち上がり区
間：αに対する損失動力の解析結果を図９に示す。結果
を要約すれば、 磁極の内面に傾斜面をもたない電磁石の場合でも、前
述したように磁界の波形は幾分鈍化した波形になる。波
形の鈍化分：α＝３ｄｅｇとして傾斜面をもたない電磁
石の損失を求めると、Ｗe＝１．１７ｋｗである。
の区間：αはゆるやかな傾斜面を磁極内面に形成し、同
極側の区間：βでは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。また異極間の間隙：Ｓ
1は、第一の実施例と異なり、充分に小さくＳ1＝６ｄｅ
ｇに設定した。また同極間の間隙はＳ2＝４ｄｅｇであ
る。上記Ｓ1、Ｓ2を一定に保ったままで、立ち上がり区
間：αに対する損失動力の解析結果を図９に示す。結果
を要約すれば、 磁極の内面に傾斜面をもたない電磁石の場合でも、前
述したように磁界の波形は幾分鈍化した波形になる。波
形の鈍化分：α＝３ｄｅｇとして傾斜面をもたない電磁
石の損失を求めると、Ｗe＝１．１７ｋｗである。
【００９７】立ち上がり区間をα＝３ｄｅｇから増加
させていくと、損失動力は大幅に低下していく。
させていくと、損失動力は大幅に低下していく。
【００９８】たとえばα＝ ３ｄｅｇから１４ｄｅｇに
すると、損失Ｗｅ＝１．１７→０．５３ｋｗに低下す
る。
すると、損失Ｗｅ＝１．１７→０．５３ｋｗに低下す
る。
【００９９】但しこの場合総磁束が低下するために、
同図の一点鎖線のグラフで示すように、磁束密度の最大
値を、若干アップさせる必要がある。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＝
０．５３→０．５９ｋｗになる。
同図の一点鎖線のグラフで示すように、磁束密度の最大
値を、若干アップさせる必要がある。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＝
０．５３→０．５９ｋｗになる。
【０１００】したがって本発明の適用により、立ち上が
り区間：α＝１４ｄｅｇ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。
り区間：α＝１４ｄｅｇ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。
【０１０１】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。
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。
【０１０２】また磁束密度分布に立ち上がり区間を設け
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（図１４…磁束密
度分布は図示せず）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。
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（図１４…磁束密
度分布は図示せず）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。
【０１０３】なお上記第三の実施例では、磁極の異極側
のみに傾斜面を形成し、同極側は第一の実施例と同様に
磁極間を近接させる方法を用いている。同極の磁極を近
接させる方法は、磁束密度分布の総面積を一層大きくと
れるために、負荷能力・剛性の点で有利となる。
のみに傾斜面を形成し、同極側は第一の実施例と同様に
磁極間を近接させる方法を用いている。同極の磁極を近
接させる方法は、磁束密度分布の総面積を一層大きくと
れるために、負荷能力・剛性の点で有利となる。
【０１０４】しかし磁極間を近接させる方法の代わり
に、同極側に傾斜面を形成しても損失低減を図ることは
できる。この場合、同極側の磁束密度の変化率は異極側
程大きくないために、傾斜面を形成する角度は充分小さ
くてもよい。すなわち、異極側に形成する傾斜面の角
度：α1、同極側に形成する傾斜面の角度：α2としたと
き、α1＞α2となるように構成すればよい（図示せ
ず）。
に、同極側に傾斜面を形成しても損失低減を図ることは
できる。この場合、同極側の磁束密度の変化率は異極側
程大きくないために、傾斜面を形成する角度は充分小さ
くてもよい。すなわち、異極側に形成する傾斜面の角
度：α1、同極側に形成する傾斜面の角度：α2としたと
き、α1＞α2となるように構成すればよい（図示せ
ず）。
【０１０５】さて上記第三の実施例は磁極の内面に傾斜
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
に立ち上がり特性を持たせたものであった。
【０１０６】（実施の形態４）図１０は本発明の第四の
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。
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。
【０１０７】９１はロータ、９２はステータ部であり、
このステータ部９２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９
３ａ〜９３ｄと４つのＳ極９４ａ〜９４ｄ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９３ａに注目すると、磁極のロータ側内面と巻き線の
収納部９７の間に、磁路の円周方向の幅が狭いくびれた
部分：狭小部９５，９６が形成されている。９７は異極
側スロット部、９８は同極側スロット部、９９〜１０１
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、１０２、１０３は巻線の収納部である（巻線は図示
せず）。
このステータ部９２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９
３ａ〜９３ｄと４つのＳ極９４ａ〜９４ｄ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９３ａに注目すると、磁極のロータ側内面と巻き線の
収納部９７の間に、磁路の円周方向の幅が狭いくびれた
部分：狭小部９５，９６が形成されている。９７は異極
側スロット部、９８は同極側スロット部、９９〜１０１
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、１０２、１０３は巻線の収納部である（巻線は図示
せず）。
【０１０８】図１０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、磁路の幅は充分大き
く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９１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、傾斜角を持つ疑
似的な台形波となる。
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、磁路の幅は充分大き
く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９１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、傾斜角を持つ疑
似的な台形波となる。
【０１０９】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、たとえば上記第四の実
施例で示したように、磁路にくびれた部分（狭小部）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（第三の実施例）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、たとえば上記第四の実
施例で示したように、磁路にくびれた部分（狭小部）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（第三の実施例）と
組み合わせてもよい（図示せず）。
【０１１０】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。第三の実施例を例にとると、図９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複数個
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。第三の実施例を例にとると、図９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複数個
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。
【０１１１】（実施の形態５）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、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１０の９５）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。
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、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１０の９５）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。
【０１１２】なお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。
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。
【０１１３】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。
【０１１４】
【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。
【０１１５】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の電磁石の部分拡大図
【図３】渦電流損失の解析モデルを示す図
【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、近接角度に対する損
失動力を示すグラフ
失動力を示すグラフ
【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８】図６の電磁石の部分拡大図
【図９】渦電流損失の解析結果で、立ち上がり区間に対
する損失動力を示すグラフ
する損失動力を示すグラフ
【図１０】本発明にかかる第四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
アル磁気軸受の電磁石の原理図
【図１１】従来の磁気軸受スピンドルの正面断面図
【図１２】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
【図１３】従来電磁石Ｂの原理図
【図１４】図１０の電磁石の磁束密度分布を示す図
１ ロータ ２ ステータ部 ３ａ、３ｂ Ｎ極 ４ａ、４ｂ Ｓ極
Claims (11)
- 【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の固定側であ
るステータ部は、円周方向で複数個の同極の磁極と前記
磁極とは極の異なる複数個の磁極が交互に配置されてい
るとともに、かつ異極側磁極と同極側磁極を左右に配置
した一つの磁極に着目したとき、前記磁極の異極側磁極
と同極側磁極の形状あるいはその磁極と隣り合わせにあ
る異極側磁極と同極側磁極の相対位置関係は非対称であ
ることを特徴とする磁気軸受装置。 - 【請求項２】 一つの磁極と隣り合わせにある異極側の
磁極端部との円周方向の間隙をＳ1、同極側の磁極端部
との円周方向の間隙をＳ2としたとき、Ｓ1＞Ｓ2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３】 一つの磁極の端部とその隣り合わせにあ
る同極側の磁極端部同士は機械的に接していることを特
徴とする請求項１記載の磁気軸受装置。 - 【請求項４】 一つの磁極とその隣り合わせにある同極
側の磁極は一体構造であ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５】 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６】 磁束密度は異極側、同極側共磁極との境
界の中間点から円周方向の区間で徐々に増加していく分
布をもち、異極側で増加する区間をα1、同極側で増加
する区間をα2としたとき、α1＞α2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７】 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】 磁極の内面とロータの間で形成される磁
路の間隙が、前記異極側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先細りとなるように前記磁
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９】 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８記載の磁気軸受装置。 - 【請求項１０】 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の異極側に形成し
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１１】 ステータ部は複数個のコアーピースに
て構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。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15429398A JP3708331B2 (ja) | 1998-06-03 | 1998-06-03 | 磁気軸受装置 |
| EP99108299A EP0953781B1 (en) | 1998-04-28 | 1999-04-28 | Magnetic bearing |
| US09/301,476 US6194800B1 (en) | 1998-04-28 | 1999-04-28 | Magnetic bearing |
| DE69924556T DE69924556D1 (de) | 1998-04-28 | 1999-04-28 | Magnetlager |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15429398A JP3708331B2 (ja) | 1998-06-03 | 1998-06-03 | 磁気軸受装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11346457A true JPH11346457A (ja) | 1999-12-14 |
| JP3708331B2 JP3708331B2 (ja) | 2005-10-19 |
Family
ID=15580981
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP15429398A Expired - Fee Related JP3708331B2 (ja) | 1998-04-28 | 1998-06-03 | 磁気軸受装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3708331B2 (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002007289A3 (de) * | 2000-07-16 | 2002-05-02 | Levitronix Llc | Aufwandsarmer verschleissfreier elektrischer antrieb |
| WO2014041752A1 (ja) * | 2012-09-12 | 2014-03-20 | ダイキン工業株式会社 | 磁気軸受 |
| JP2015083871A (ja) * | 2013-10-17 | 2015-04-30 | エスカエフ・マニュティック・メシャトロニク | ラジアル磁気軸受および製造方法 |
| KR20190106106A (ko) * | 2018-03-07 | 2019-09-18 | 엘지전자 주식회사 | 회전축의 하중 부담을 경감시키기 위한 모터 구동 장치 |
| CN113833760A (zh) * | 2021-10-14 | 2021-12-24 | 哈尔滨工业大学 | 大承载力混合充磁式永磁磁轴承 |
| PL445075A1 (pl) * | 2023-05-30 | 2024-04-08 | Politechnika Opolska | Ośmiobiegunowe promieniowe łożysko magnetyczne z magnesami trwałymi |
| PL445074A1 (pl) * | 2023-05-30 | 2024-04-08 | Politechnika Opolska | Czterobiegunowe, promieniowe łożysko magnetyczne z magnesami trwałymi |
-
1998
- 1998-06-03 JP JP15429398A patent/JP3708331B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002007289A3 (de) * | 2000-07-16 | 2002-05-02 | Levitronix Llc | Aufwandsarmer verschleissfreier elektrischer antrieb |
| WO2014041752A1 (ja) * | 2012-09-12 | 2014-03-20 | ダイキン工業株式会社 | 磁気軸受 |
| JP2014074492A (ja) * | 2012-09-12 | 2014-04-24 | Daikin Ind Ltd | 磁気軸受 |
| CN104603482A (zh) * | 2012-09-12 | 2015-05-06 | 大金工业株式会社 | 磁力轴承 |
| US9964146B2 (en) | 2012-09-12 | 2018-05-08 | Daikin Industries, Ltd. | Magnetic bearing having reduced leakage magnetic flux |
| JP2015083871A (ja) * | 2013-10-17 | 2015-04-30 | エスカエフ・マニュティック・メシャトロニク | ラジアル磁気軸受および製造方法 |
| KR20190106106A (ko) * | 2018-03-07 | 2019-09-18 | 엘지전자 주식회사 | 회전축의 하중 부담을 경감시키기 위한 모터 구동 장치 |
| CN113833760A (zh) * | 2021-10-14 | 2021-12-24 | 哈尔滨工业大学 | 大承载力混合充磁式永磁磁轴承 |
| CN113833760B (zh) * | 2021-10-14 | 2023-08-22 | 哈尔滨工业大学 | 大承载力混合充磁式永磁磁轴承 |
| PL445075A1 (pl) * | 2023-05-30 | 2024-04-08 | Politechnika Opolska | Ośmiobiegunowe promieniowe łożysko magnetyczne z magnesami trwałymi |
| PL445074A1 (pl) * | 2023-05-30 | 2024-04-08 | Politechnika Opolska | Czterobiegunowe, promieniowe łożysko magnetyczne z magnesami trwałymi |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3708331B2 (ja) | 2005-10-19 |
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