JPWO2005003580A1

JPWO2005003580A1 - 磁気軸受装置

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Publication number: JPWO2005003580A1
Application number: JP2005503386A
Authority: JP
Inventors: 明広嶋田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-07-04
Filing date: 2003-07-04
Publication date: 2006-08-17
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Abstract

簡単な構成で冷却効果が大きい磁気軸受装置を得るため、回転軸１の後部外径に後方向に空気流を形成するフィン１５を設けると共に、このフィン１５が回転することにより生成される空気流を圧縮された渦流に変換し且つ軸方向に貫通穴を有するジェネレータ１６を、フィン１５と適当な隙間を隔てて固定し、さらにこのジェネレータ１６の後方側に内径がジェネレータ１６の貫通穴１９の直径よりも大きく且つ後方端にコントロールバルブ２１を有するチューブ２０を備える構成として、回転軸１の駆動力で冷却風を生成するようにし、また、回転軸１内部には、冷却風を通過させるための軸方向に貫通する冷却風流通路２２を形成した。

Description

本発明は工作機械のスピンドルユニット等に使用される磁気軸受装置に係り、特にその磁気軸受装置の冷却構造に関するものである。

磁気軸受装置は、従来から広く用いられている転がり軸受装置では実現困難な超高速回転を実現することを主目的として一般に使用される。しかし、磁気軸受装置は転がり軸受装置と比較し、超高速化が可能である反面、電気部品点数が多いため、軸受装置本体の発熱も大きくなるのが一般である。従来の磁気軸受装置の冷却対策としては、例えばユニット外部からコンプレッサ等により、ユニット内部へ空気を供給し、この供給された空気流を、回転軸表面を通過させることにより冷却している。このような磁気軸受装置の冷却構造は、例えば特開平８−６１３６６公報に記載されている。
しかしながら上述の冷却構造においては、単に外部より雰囲気温度に近い空気流を、ユニット内部を循環させているだけあり、冷却性に優れず、また外部からユニット内部へ空気流を供給するための装置（コンプレッサ等）が別途必要となり、冷却設備が大掛かりになるという問題があった。

本発明は上記のような問題点を解決するためのもので、簡単な構成で冷却効果が大きい磁気軸受装置を得ることを目的とする。
本発明は前記目的を達成させるため、回転体の駆動力を用いて低温の冷却風を生成する冷却風生成手段と、この冷却風生成手段にて生成された低温の冷却風を磁気軸受装置内部に流通させる冷却風流通路とを備える構成としたものである。
また、前記冷却風生成手段を、前記回転体の駆動力を用いて高速気流を生成する高速気流生成手段と、この高速気流生成手段にて生成された高速気流を渦流に変換する変換手段と、この変換手段にて変換きれた高速渦流を流通させる気流通路と、この気流通路の反変換手段側に設けられたコントロールバルブとを備えるものとしたものである。
このため、回転体が超高速回転することを利用して低温の冷却風を生成するので、簡単な構成で冷却効果が大きい磁気軸受装置を得ることができる。
また、回転軸に設けられ、この回転軸の駆動力により軸方向の気流を発生させるフィン、このフィンと所定間隔を介して固定され、高速渦流を生成するジェネレータ、このジェネレータにて生成された高速渦流を流通させるチューブ、及びこのチューブの反ジェネレータ側に設けられたコントロールバルブを有し、低温の冷却風を生成する冷却風生成手段と、この冷却風生成手段にて生成された低温の冷却風を磁気軸受装置内部に流通させる冷却風流通路とを備える構成としたものである。
このため、回転体が超高速回転することを利用して低温の冷却風を生成するので、簡単な構成で冷却効果が大きい磁気軸受装置を得ることができる。
また、前記冷却風流通路を、前記回転軸部に、軸方向に延在するように設けたものである。
このため、回転軸部を効率よく冷却することができる。
また、前記冷却風流通路を、筐体に設けられた冷却風流通路と、この筐体に設けられた冷却風流通路に前記低温の冷却風を導くパイプとを有するものとしたものである。
このため、回転軸部ばかりでなく、磁気軸受装置全体を効率よく冷却することができる。
また、アキシャル磁気軸受ディスクに設けられ、このアキシャル磁気軸受ディスクの外径方向に向かう気流を発生させるフィン、このフィンの外周部に位置し、前記フィンにて発生させられた気流を取込み且つ外径方向に向かって高速気流として吹出す供給口、この供給口より吹出された高速気流を、渦流に変換するジェネレータ、前記筐体に軸方向に延在するように設けられ、このジェネレータにて生成された高速渦流を流通させる気流通路、及びこの気流通路の反ジェネレータ側に設けられたコントロールバルブを有し、低温の冷却風を生成する冷却風生成手段と、この冷却風生成手段にて生成された低温の冷却風を磁気軸受装置内部に流通させる冷却風流通路とを備える構成としたものである。
このため、回転体が超高速回転することを利用して低温の冷却風を生成するので、簡単な構成で冷却効果が大きい磁気軸受装置を得ることができる。特にアキシャル磁気軸受ディスクの外径は回転部の各部の中で最も外径が大きいので、その他の部位で高速渦流を生成するよりも最も冷却効果が大きい。
また、前記低温の冷却風を回転軸部に導く案内部を設けたものである。
また、前記冷却風流通路を、前記筐体に設けられ、前記冷却風生成手段にて生成された低温の冷却風が流通する冷却風流通路と、この冷却流通路を通過した冷却風を回転軸部に導く案内板と、回転軸部に設けられ、前記案内板にて案内された冷却風を軸方向に流通させ、回転軸部を冷却する冷却風流通路とを有するものとしたものである。
このため、このため、回転軸部をも効率よく冷却でき、、磁気軸受装置全体を効率よく冷却することができる。
また、アキシャル磁気軸受ディスクに設けられ、このアキシャル磁気軸受ディスクの外径方向に向かう気流を発生させるフィン、このフィンの外周部に位置し、前記フィンにて発生させられた気流を取込み且つ外径方向に向かって高速気流として吹出す吸気口、この吸気口より吹出された高速気流を流通させる気流通路、この気流通路より吹出された高速気流を、渦流に変換するジェネレータ、このジェネレータにて生成された高速渦流を流通させるチューブ、及びこのチューブの反ジェネレータ側に設けられたコントロールバルブを有し、低温の冷却風を生成する冷却風生成手段と、この冷却風生成手段にて生成された低温の冷却風を磁気軸受装置内部に流通させる冷却風流通路とを備える構成としたものである。
このため、回転体が超高速回転することを利用して低温の冷却風を生成するので、簡単な構成で冷却効果が大きい磁気軸受装置を得ることができる。

第１図は本発明の実施の形態１に係る磁気軸受スピンドルユニットの全体構成を示す断面図である。
第２図は本発明の実施の形態１に係る磁気軸受スピンドルユニットに使用するジェネレータ構造を示す図である。
第３図は第１図のＸ−Ｘ‘線断面図である。
第４図は本発明の実施の形態２に係る磁気軸受スピンドルユニットの全体構成を示す断面図である。
第５図は本発明の実施の形態２に係る磁気軸受スピンドルユニットに使用するジェネレータ構造を示す図である。
第６図は本発明の実施の形態３に係る磁気軸受スピンドルユニットの全体構成を示す断面図である。
第７図は本発明の実施の形態３に係る磁気軸受スピンドルユニットに使用するジェネレータ構造を示す図である。
第８図は本発明の実施の形態４に係る磁気軸受スピンドルユニットの全体構成を示す断面図である。
第９図は本発明の実施の形態５に係る磁気軸受スピンドルユニットの全体構成を示す断面図である。

実施例の形態１．
以下本発明の実施の形態１を、第１図〜第３図を用いて説明する。
なお、本発明の実施の形態１は、磁気軸受装置を、工具を回転させるスピンドルに用いた磁気軸受スピンドルユニットを示しており、第１図はその磁気軸受スピンドルユニットの全体構成を示す断面図、第２図はその磁気軸受スピンドルユニットに使用するジェネレータ構造を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は図（ａ）のＹ−Ｙ線断面図、（ｃ）は図（ａ）の背面図、第３図はその磁気軸受スピンドルユニットに使用するコントロールバルブを示す、第１図のＸ−Ｘ‘線断面図ある。
そしてこの磁気軸受スピンドルユニットは、次のように構成されている。
即ち、ツールホルダー保持機構を内蔵した回転軸１に、リング状の電磁鋼板を積層して形成したフロント側ラジアル磁気軸受ロータ２ａと、磁性材からなるアキシャル磁気軸受ディスク３と、主軸モータロータ４（アキシャル磁気軸受ディスク３とリア側ラジアル磁気軸受ロータ２ｂとの間に位置する）と、リング状の電磁鋼板を積層して形成したリア側ラジアル磁気軸受ロータ２ｂとが、嵌合固定されている。なお、回転軸１の左端には図示しないが、前記ツールホルダー保持機構４７にツールホルダーを介して回転ツールが設置される。また、ツールホルダー保持機構４７にツールホルダーを固定する際、ばね材４８の押圧力に抗して押し棒４９をツールホルダー着脱用油圧シリンダー４５にて図の左側に押圧して、図の左端に位置するコレット状のツールホルダー保持部５０を拡開し、この拡開部にツールホルダーを挿入する。そして前記押し棒４９の押圧力を解放することによって前記ばね材４８の押圧力によりツールホルダー保持部５０にツールを保持する。また、ツールホルダー保持機構４７と回転軸１とは、前記ばね材４８における軸方向の押圧力により一体化されて回転する。
また、回転軸１のラジアル磁気軸受ロータ２ａ、２ｂの外径部の半径方向には、適当な微小間隔（通常０．５〜１．０ｍｍ程度）を設けて、フロント側ラジアル磁気軸受ステータ５ａ、リア側ラジアル磁気軸受ステータ５ｂが配置されている。なお、このラジアル磁気軸受ステータ５ａは通電されたとき、ラジアル磁気軸受ロータ２ａの周囲に４個の電磁石を生成するものである。またラジアル磁気軸受ステータ５ｂも同様に、通電されたとき、ラジアル磁気軸受ロータ２ｂの周囲に４個の電磁石を生成するものである。
また、該回転軸１のアキシャル磁気軸受ディスク３の近傍においては、軸方向に適当な微小間隔（通常０．５〜１．０ｍｍ程度）を設けて、リング状電磁石を有する１対のアキシャル磁気軸受ステータ６ａ、６ｂ（負荷側アキシャル磁気軸受ステータ６ａ、反負荷側アキシャル磁気軸受ステータ６ｂ）が、アキシャル磁気軸受ディスク３を挟み込むように配置されている。なお、アキシャル磁気軸受ステータ６ａ、６ｂは、リング状のカラー２７によって軸方向の位置決めがなされている。
また、主軸モータロータ４の近傍においては、回転軸１を回転駆動されるための主軸モータステータ７が、主軸モータロータ４の外径部から半径方向に適当な微小間隔を設けて配置されている。
また、ラジアル磁気軸受ステータ５ａ、５ｂと主軸モータステータ７の外径部には、ステータ冷却用のオイルジャケット８ａ、８ｂ、９が取付けられている。なお、図中、８ａはフロント側ラジアル磁気軸受ステータ冷却用のオイルジャケット、８ｂはリア側ラジアル磁気軸受ステータ冷却用のオイルジャケット、９は主軸モータステータ冷却用のオイルジャケットである。
また、回転軸１、ラジアル磁気軸受ステータ５ａ、５ｂ、アキシャル磁気軸受ステータ６ａ、６ｂ、及び主軸モータステータ７は、筒状フレーム１０に、オイルジャケット８ａ、８ｂ、９を介して収められ、且つフレーム１０の各端部に、負荷側ブラケット１１及び反負荷側ブラケット１２が夫々取付けられている。また、アキシャル磁気軸受ステータ６ａ、６ｂも、フレーム１０に収納されている。
また、負荷側ブラケット１１及び反負荷側ブラケット１２には、それぞれ磁気軸受制御用の非接触変位センサ１４ａ、１４ｂが、回転軸１とある適当な微小間隔（通常０．５ｍｍ程度）を介して取付けられている。
また、緊急時のユニット破損回避のための保護ベアリング（タッチダウンベアリングとも言う）１３ａ、１３ｂが、負荷側ブラケット１１及び反負荷側ブラケット１２に、回転軸１とある適当な微小間隔（通常０．２ｍｍ程度）を介して取付けられている。即ち、この保護ベアリング１３ａ、１３ｂは、磁気軸受装置が正常動作しているときは回転軸１と非接触状態にあるが、磁気軸受装置が何らかの原因により制御不能となったとき、回転軸１と接触してこの回転軸１を受止めることにより、ユニットの破損を防ぐ。
また、負荷側ブラケット１１及び反負荷側ブラケット１２に、回転軸１の径方向及び軸方向位置を測定する非接触変位センサ１４ａ、１４ｂが夫々固定されている。そしてこの変位センサ１４ａ、１４ｂの出力信号をもとに、ラジアル磁気軸受ステータ５ａ、５ｂとラジアル磁気軸受ロータ２ａ、２ｂとの空隙部、及びアキシャル磁気軸受ステータ６ａ、６ｂとアキシャル磁気軸受ディスク３との空隙部に、図示しない磁気軸受駆動用ドライバにより適当な磁気吸引力を発生させ、回転軸１を各ステータ５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂ、７と離隔した目標位置に非接触で支承し、この非接触状態で、主軸モータステータ７に適当な電圧を印加することにより、回転軸１の超高速回転（７０，０００ｒ／ｍｉｎ程度以上）を実現している。
また、回転軸１の回転数は、回転軸１に固着されたエンコーダ用歯車及び反負荷側ブラケット１２に固着されたエンコーダヘッド５１により検出し、前記磁気軸受駆動用ドライバへフィードバックするように構成されている。
更にまた、回転軸１の後部に後方向に（反負荷側に）空気流を形成するためのフィン１５が等間隔に複数枚設けられており、且つこのフィン１５と適当な間隔を隔ててジェネレータ（変換手段）１６が、反負荷側ブラケット１２に支持された固定用アングル４４に固定されている。
第２図はジェネレータ１６のみを取り出して図示したものであり、このジェネレータ１６は、フィン１５との相乗作用により生成される高速空気流を高圧渦流に変換するために、複数個のフィン部材（第２図においては８個のフィン部材）が、高速空気流吸入口１７から渦流吐出口１８（第２図においては８箇所に形成されている）に向かうにしたがってテーパ小となると共に、ジェネレータ１６の軸方向に対し螺旋方向に形成されている。また、ジェネレータ１６のさらに内径部には軸方向の貫通穴１９が形成されている。
さらにジェネレータ１６の後方側には、ジェネレータ１６の貫通穴１９の直径よりも大きい内径を有するチューブ（気流通路）２０が連結され、且つこのチューブ２０の後方端に、第３図に示すような、高圧渦流の一部を外気中へ放出する量を調整するコントロールバルブ２１を備えている。なお、このコントロールバルブ２１は、その外周部に設けられた熱風吐出量調整用ねじ４６をチューブ２０にねじ込むことにより、チューブ２０に設けられている。
また、回転軸１部には、第１図に示すように、複数個の冷却風流通路２２が、周方向に等間隔に形成されている。なお、この冷却風流通路２２は、第一の冷却風流通路と、第二の冷却風流通路とから構成されており、第一の冷却風流通路は、一端がフィン１５側の軸端に開口し、他端がリア側ラジアル磁気軸受ロータ２ｂ部の内壁部に開口する、回転軸１内部を軸方向に延在する構成と成っている。また第二の冷却風流通路は、第一の冷却風流通路におけるリア側ラジアル磁気軸受ロータ２ｂ部側の開口部と連通し、フロント側ラジアル磁気軸受ロータ２ａ部の負荷側端部まで延在するよう回転軸１の外周部に形成されたスプライン状部と、このスプライン状部の開放部を閉塞する、リア側ラジアル磁気軸受ロータ２ｂ、主軸モータロータ４、アキシャル磁気軸受ディスク３、フロント側ラジアル磁気軸受ロータ２ａ及びロータ間に位置するカラーの各内周壁とから構成されている。
なおまた、この実施の形態１では、フィン１５、ジェネレータ１６、チューブ２０及びコントロールバルブ２１により、高速回転する回転軸１の駆動力を用いて低温の冷却風を生成する冷却風生成手段を構成している。また、フィン１５とジェネレータ１６の一部とで、圧縮気流生成手段を構成している。更にまた、フレーム１０、負荷側ブラケット１１及び反負荷側ブラケット１２により、筐体を構成している。
この実施の形態１に係る磁気軸受スピンドルユニットは、以上のように構成されている。
この構造によれば、一般に磁気軸受スピンドルユニットは超高速回転で使用されることがほとんどであるため、回転軸１が超高速回転するとフィン１５によりスピンドル後方に向かう高速空気流が生成される。この高速空気流はジェネレータ１６の吸入口１７に送り込まれ、吐出口１８より放出されるが、その途中、ジェネレータ１６がテーパ小となっていることと螺旋方向に形成されていることにより、吐出口１８より放出される折には高圧渦流となり、隣接するチューブ２０内の周面に対し、その接線方向に向かって音速に近い速度で吐出される。そして、チューブ２０内に送り込まれた高速渦流は、その後方に設けられたコントロールバルブ２１に向かって移動する過程で、大きな遠心力が作用して圧力と密度が急上昇すると共に、管路抵抗を増加させて温度が上昇し、熱風となって熱風吐出口２３から外気中へ放出される。また、これと同時に前記高速渦流の遠心力により、チューブ２０の中心付近は密度が疎な状態になると共に、熱風となる外側渦流と同方向に回転しながら、熱風吐出口２３とは反対方向にあるジェネレータ１６の貫通穴１９に向かって逆方向に移動する。この移動する過程で、内側渦流は減速する制動作用のため外側渦流に対して仕事を行って温度が低下するため、冷却風となって、ジェネレータ１６の貫通穴１９より排出される。なお、この冷却風の生成原理は、１９３０年頃フランスの物理学者ＧｅｏｒｇｅｓＲａｎｑｕｅによって発見されたもので、例えば、７ＰＭａ、２０℃の圧縮空気を６４０Ｌ／ｍｉｎ供給すれば、−５５℃の１００Ｌ／ｍｉｎの空気をジェネレータ１６の貫通穴１９より噴出する。そして、この貫通穴１９はチューブ２０の内径よりも小さいため、冷却風となった内側渦流のみが通過でき、効率の良い構造となっている。また、回転軸１の内部には軸方向に貫通する冷却風流通路２２が形成されているため、ジェネレータ１６の貫通穴１９より吐出された冷却風は、矢印で示すように、回転軸１の内部をスピンドルユニット前方（負荷側）に向かって移動し、その過程で回転軸１を冷却して、最終的に回転軸１の前方部（負荷側）より外気中へ放出される。
即ち、この構造においては、冷却風発生部に駆動部分のない極めて簡単な構造であり、しかも、回転軸１自身が超高速で回転することを利用して、外部にコンプレッサ等の圧縮器等を使用せずに高圧空気を生成し、冷却風を作り出すことができる。そして、生成された冷却風を回転軸１の内部を通過させることにより、効率良く回転軸１を冷却することができる。
なお、ジェネレータ１６の貫通穴１９より、回転軸１の方向へ吐出される冷却風の量は、熱風吐出口２３から排出される熱風の量を調整することより、コントロールできる。つまり、コントロールバルブ２１の調整によって任意に定めることができる。
実施例の形態２．
次に本発明の実施の形態２を、第４図及び第５図を用いて説明する。
なお、本発明の実施の形態２も、実施の形態１と同様に、磁気軸受装置を、工具を回転させるスピンドルに用いた磁気軸受スピンドルユニットを示しており、第３図はその磁気軸受スピンドルユニットの全体構成を示す断面図、第４図はその磁気軸受スピンドルユニットに使用するジェネレータ構造を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は図（ａ）のＺ−Ｚ線断面図、（ｃ）は図（ａ）の背面図ある。
そしてこの磁気軸受スピンドルユニットは、次のように構成されている。
即ち、反負荷側ブラケット１２及びフレーム１０に、軸方向に延在し且つ周方向に等間隔に位置する複数個の冷却風流通路２６が形成されている（この実施の形態の場合には、２本の冷却風流通路２６が形成されている）。また、この冷却風流通路２６に夫々連通し、アキシャル磁気軸受ディスク３の外周部に開口する冷却風流通路２６が、アキシャル磁気軸受ステータ６ａ，６ｂの軸方向位置決め用カラー２７に形成されている。即ち、この冷却風流通路２６は、その一端がアキシャル磁気軸受ディスク３の外周部に開口し、他端が反負荷側ブラケット１２の外部端面に開口する構成となっている。
第４図はフィン１５と適当な間隔を隔てて固定されたジェネレータ１６のみを取り出して図示したものであり、このジェネレータ１６の貫通穴１９の内径よりさらに内側からジェネレータ１６の径方向に、ジェネレータ１６の外部に通ずる複数本のパイプ２４（この実施の形態の場合には、２本のパイプ）が貫通固定されており、またこのパイプ２４のジェネレータ１６内の一端２５はチューブ２０の方向を向いて設置されている。
そしてこのパイプ２４の他端は、冷却風流通路２６の反負荷側ブラケット１２側の開口部に接続されている。
なおその他の構成は、実施の形態１で説明した磁気軸受スピンドルユニットと同様の構成である。
この構造によれば、回転軸１が超高速回転するとフィン１５によりスピンドル後方に向かう高速空気流が生成される。この高速空気流はジェネレータ１６の吸入口１７に送り込まれ、吐出口１８より放出されるが、その途中、ジェネレータ１６がテーパ小となっていることと螺旋方向に形成されていることにより、吐出口１８より放出される折には高圧渦流となり、隣接するチューブ２０内の周面に対し、その接線方向に向かって音速に近い速度で吐出される。そして、チューブ２０内に送り込まれた高速渦流はその後方に設けられたコントロールバルブ２１に向かって移動する過程で、大きな遠心力が作用して圧力と密度が急上昇すると共に、管路抵抗を増加させて温度が上昇し、熱風となって熱風吐出口２３から外気中へ放出される。また、これと同時に前記高速渦流の遠心力により、チューブ２０の中心付近は密度が疎な状態になると共に、熱風となる外側渦流と同方向に回転しながら、熱風吐出口２３とは反対方向にあるジェネレータ１６の貫通穴１９に向かって逆方向に移動する。この移動する過程で、内側渦流は減速する制動作用のため外側渦流に対して仕事を行って温度が低下するため、冷却風となって、ジェネレータ１６の貫通穴１９より排出される。この貫通穴１９はチューブ２０の内径よりも小さいため、冷却風となった内側渦流のみが通過でき、効率の良い構造となっている。また、回転軸１の内部には軸方向に貫通する冷却風流通路２２が形成されているため、ジェネレータ１６の貫通穴１９より吐出された冷却風は、矢印で示すように、回転軸１の内部をスピンドルユニット前方に向かって移動し、その過程で回転軸１を冷却して、最終的に回転軸１の前方部より外気中へ放出される。さらに、ジェネレータ１６の内部に設けられたパイプ２４の一端２５がチューブ２０の方向を向いて設置されているため、矢印で示すように、ジェネレータ１６より吐出される冷却風の一部はこのパイプ２４に吸入され、反負荷側ブラケット１２、フレーム１０の内部に設けられた冷却風流通路２６を通過してアキシャル磁気軸受ステータ６の軸方向位置決め用カラー２７の外径部より、ユニット内部へ侵入する。このカラー２７の部分より侵入する冷却風は主に、アキシャル磁気軸受ディスク３とアキシャル磁気軸受ステータ６ａ、６ｂの間の空隙、リア側ラジアル磁気軸受ロータ２ａとラジアル磁気軸受ステータ５ａの間の空隙、主軸モータロータ４と主軸モータステータ７の間の空隙、ならびにラジアル磁気軸受ロータ２ｂとラジアル磁気軸受ステータ５ｂの間の空隙を通過して外気中へ放出され、外気中へ向かって移動する過程で回転軸１表面、及び各ステータを冷却する。
即ち、この構造においては、実施の形態１で説明した場合と同様の原理により、効率良く回転軸１及び各ステータを冷却することができる。
なお、コントロールバルブ２１の調整により、冷却風の量を調整できることも同様である。
実施例の形態３．
次に本発明の実施の形態３を、第６図及び第７図を用いて説明する。
なお、本発明の実施の形態３も、実施の形態１と同様に、磁気軸受装置を、工具を回転させるスピンドルに用いた磁気軸受スピンドルユニットを示している。
そしてこの磁気軸受スピンドルユニットは、次のように構成されている。
即ち、アキシャル磁気軸受ディスク３の外径部には、径方向に空気流を形成するためのラジアルフィン２８が設けられている。また、このフィン２８と適当な間隔を隔てて設置されたアキシャル磁気軸受ステータ６ａ，６ｂの軸方向位置決め用カラー２７には、その内径部から外径部に向かってテーパ小となる吸気口２９が複数箇所に設けられており、テーパ小となる側の供給口３０は、ジェネレータ１６の外径部に通じている。このジェネレータ１６は、供給口３０と対向する位置に位置するとともに、フレーム１０の内部に固定されている。またこのジェネレータ１６は、第７図（（ａ）は正面図、（ｂ）は図（ａ）の縦断面図）にその詳細を示すように、供給口３０より噴出された空気流を渦流に変換し気流通路３２を流通させるため、供給口３０より噴出された空気流を取込むための複数の切欠き部を、側面外周部に等間隔に有し、且つこの切欠き部より内周部に向かう螺旋状溝３１が側面部に施されている。またこのジェネレータ１６は、その中心部には軸方向の貫通穴１９を有している。なお、第７図中、１８は渦流吐出口である。
さらに、このジェネレータ１６のユニット後方側に、その内径がジェネレータ１６の貫通穴１９の直径よりも大きい気流通路３２を、フレーム１０及び反負荷側ブラケット１２の内部に軸方向に形成し、またこの気流通路３２の後方端にコントロールバルブ２１を有している。また、このジェネレータ１６のユニット前方側にも、ジェネレータ１６の貫通穴１９からユニット内部へ通ずる冷却風流通路３３が、フレーム１０、及び負荷側ブラケット１１の内部に施されている。
なおその他の構成は、実施の形態１、２で説明した磁気軸受スピンドルユニットと同様の構成である。
この構造によれば、回転軸１が超高速回転すると、アキシャル磁気軸受ディスク３の外径部に形成されたラジアルフィン２８の効果により、径方向に向かう高速空気流が生成される。この高速空気流はアキシャル磁気軸受ステータ６ａ，６ｂの軸方向位置決め用カラー２７に設けられた吸気口２９に取り込まれるが、この吸気口２９の形状が外径方向に向かうに従ってテーパ小となる形状であるため、このカラー２７の外径部の供給口３０から吐出する際には高圧空気となっている。この高圧空気はジェネレータ１６の外径部に送り込まれ、このジェネレータ１６に施された螺旋状溝の効果により、ジェネレータ１６の吐出口１８より放出される折には高圧渦流となり、ユニット後方側に隣接するフレーム１０内の気流通路３２内の周面に対し、その接線方向に向かって音速に近い速度で吐出される。アキシャル磁気軸受ディスク３の外径は回転軸１の各部位の中で最も外径が大きいので、その他の部位で高速渦流を生成するよりも、最も効果が大きい。そして、気流通路３２内に送り込まれた高速渦流はその後方に設けられたコントロールバルブ２１に向かって移動する過程で、大きな遠心力が作用して圧力と密度が急上昇すると共に、管路抵抗を増加させて温度が上昇し、熱風となって熱風吐出口２３から外気中へ放出される。また、これと同時に前記高速渦流の遠心力により、気流通路３２の中心付近は密度が疎な状態になると共に、熱風となる外側渦流と同方向に回転しながら、熱風吐出口２３とは反対方向にあるジェネレータ１６の貫通穴１９に向かって逆方向に移動する。この移動する過程で、内側渦流は減速する制動作用のため外側渦流に対して仕事を行って温度が低下するため、冷却風となって、矢印で示すように、ジェネレータ１６の貫通穴１９をユニット前方側へ向かって通過する。この貫通穴１９は気流通路３２の内径よりも小さいため、冷却風となった内側渦流のみが通過でき、効率の良い構造となっている。そして、この冷却風はジェネレータ１６の前方部に位置するフレーム１０、負荷側ブラケット１１に設けられた冷却風流通路３３に送り込まれ、ユニット内部に運ばれ、回転軸１の表面、ならびに各ステータを冷却する。
即ち、この構造においては、実施の形態１、２で説明したものと同様の原理により、効率良く回転軸１、及び各ステータを冷却することができる。
なお、コントロールバルブ２１の調整により、冷却風の量を調整できることも同様である。
実施例の形態４．
次に本発明の実施の形態４を、第８図を用いて説明する。
なお、本発明の実施の形態４も、実施の形態１と同様に、磁気軸受装置を、工具を回転させるスピンドルに用いた磁気軸受スピンドルユニットを示している。
そしてこの磁気軸受スピンドルユニットは、次のように構成されている。
即ち、アキシャル磁気軸受ディスク３の外径部にラジアルフィン２８を設け、その効果により冷却風を生成する構造は実施の形態３と同様である。この実施の形態４では、さらに回転軸１内部に軸方向に貫通する冷却風流通路２２を形成すると共に、冷却風を冷却風流通路２２に取り込みやすくするためのフィン３４が、回転軸１における冷却風流通路３５の開口部と対向する位置に設けられている。また、冷却風流通路３５から吹出された冷却風を、冷却風流通路２２へ効率良く取り込むための冷却風案内板３５が、その周囲部が負荷側ブラケット１１とフレーム１０との間に狭時されることにより設置されている。
なお、冷却風流通路２２は、回転軸１におけるフィン３４設置部から変位センサ１４ｂ近傍まで延在するよう回転軸１の外周部に形成されたスプライン状部と、このスプライン状部の開放部を閉塞する、リア側ラジアル磁気軸受ロータ２ｂ、主軸モータロータ４、アキシャル磁気軸受ディスク３、フロント側ラジアル磁気軸受ロータ２ａ及び各ロータ間に配設されたカラーの各内周壁とから構成されている。
またその他の構成は、実施の形態３で説明した磁気軸受スピンドルユニットと同様の構成である。
この構造によれば、回転軸１が超高速回転するとアキシャル磁気軸受ディスク３の外径部に形成されたラジアルフィン２８の効果により、径方向に向かう高速空気流が生成される。この高速空気流はアキシャル磁気軸受ステータ６ａ，６ｂの軸方向位置決め用カラー２７に設けられた吸気口２９に取り込まれるが、この吸気口２９の形状が外径方向に向かうに従ってテーパ小となる形状であるため、このカラー２７の外径部の供給口３０から吐出する際には高圧空気となっている。この高圧空気はジェネレータ１６の外径部に送り込まれ、このジェネレータ１６に施された螺旋状溝の効果により、ジェネレータ１６の吐出口１８より放出される折には高圧渦流となり、ユニット後方側に隣接するフレーム１０内の気流通路３２内の周面に対し、その接線方向に向かって音速に近い速度で吐出される。アキシャル磁気軸受ディスク３の外径は回転軸１の各部位の中で最も外径が大きいので、その他の部位で高速渦流を生成するよりも、最も効果が大きい。そして、気流通路３２内に送り込まれた高速渦流はその後方に設けられたコントロールバルブ２１に向かって移動する過程で、大きな遠心力が作用して圧力と密度が急上昇すると共に、管路抵抗を増加させて温度が上昇し、熱風となって熱風吐出口２３から外気中へ放出される。また、これと同時に前記高速渦流の遠心力により、気流通路３２の中心付近は密度が疎な状態になると共に、熱風となる外側渦流と同方向に回転しながら、熱風吐出口２３とは反対方向にあるジェネレータ１６の貫通穴１９に向かって逆方向に移動する。この移動する過程で、内側渦流は減速する制動作用のため外側渦流に対して仕事を行って温度が低下するため、冷却風となって、矢印で示すように、ジェネレータ１６の貫通穴１９をユニット前方側へ向かって通過する。この貫通穴１９は気流通路３２の内径よりも小さいため、冷却風となった内側渦流のみが通過でき、効率の良い構造となっている。そして、この冷却風はジェネレータ１６の前方部に位置するフレーム１０、負荷側ブラケット１１に設けられた冷却風流通路３３に送り込まれ、ユニット内部に運び込まれるが、冷却風案内板３５により、そのほとんどは回転軸１に設けられたフィン３４付近に集中する。このフィン３４は回転軸１内部に形成された冷却風流通路２２に冷却風を取り込むように形成されているため、ほとんどの冷却風が冷却風流通路２２を通過し、その過程において回転軸１を効率良く冷却する。
即ち、この構造においては、実施例１〜３で説明したものと同様の原理により、効率良く回転軸１することができる。なお、コントロールバルブ２１の調整により、冷却風の量を調整できることも同様である。
実施例の形態５．
次に本発明の実施の形態５を、第９図を用いて説明する。
なお、本発明の実施の形態５も、実施の形態１と同様に、磁気軸受装置を、工具を回転させるスピンドルに用いた磁気軸受スピンドルユニットを示している。
そしてこの磁気軸受スピンドルユニットは、次のように構成されている。
即ち、アキシャル磁気軸受ディスク３の外径部には、径方向に空気流を形成するためのラジアルフィン２８が設けられ、且つこのフィン２８と適当な間隔を隔ててアキシャル磁気軸受ステータ６ａ，６ｂの軸方向位置決め用カラー２７が設置されている。このカラー２７は、その内径部から外径部に向かってテーパ小となる吸気口２９が設けられており、テーパ小となる側の供給口３０は、フレーム１０、及び反負荷側ブラケット１２の内部に設けられた高圧気流通路３６に連結されている。反負荷側ブラケット１２の高圧空気吐出口３７は、磁気軸受スピンドルユニットの外部に設置されている渦流冷却器（冷却風生成手段）３８の高圧空気吸入口３９にパイプ等により連結されている。また、磁気軸受スピンドルユニットには、高圧気流通路３６と重ならない別の箇所に、ユニット外部からユニット内部へ貫通する冷却風流通路４２が、フレーム１０、負荷側ブラケット１１、反負荷側ブラケット１２に形成されており、且つ反負荷側ブラケット１２の冷却風吸入口４３と渦流発生器３８の冷却風吐出口４１はパイプ等により連結されている。
なお、前記渦流冷却器３８は、チューブ、高庄空気流を渦流に変換するジェネレータ、及び冷却風の量を調整するコントロールバルブから構成されており、前記実施の形態で説明したものと同様に動作して冷却風吐出口４１に冷却風を噴出する。
この構造によれば、回転軸１が超高速回転するとアキシャル磁気軸受ディスク３の外径部に形成されたラジアルフィン２８の効果により、径方向に向かう高速空気流が生成される。この高速空気流はアキシャル磁気軸受ステータ６ａ，６ｂの軸方向位置決め用カラー２７に設けられた吸気口２９に取り込まれるが、この吸気口２９の形状が外径方向に向かうに従ってテーパ小となる形状であるため、このカラー２７の外径部の供給口３０から吐出する際には高圧空気となっている。この高圧空気はフレーム１０、及び反負荷側ブラケット１２の内部に設けられた高圧気流通路３６を通って高圧空気吐出口３７より放出され、渦流冷却器３８の高圧空気吸入口３９へ送り込まれる。渦流冷却器３８の内部においては、前記実施の形態で説明したものと同様の原理により、内部で熱交換が行われ、熱風は熱風吐出口４０より磁気軸受スピンドルユニットに熱的影響を及ぼさない所の外気中へ放出される。また、渦流冷却器３８にて生成された冷却風は冷却風吐出口４１より放出され、連結される冷却風吸入口４３より磁気軸受スピンドルユニットへ送られる。この冷却風は冷却風流通路４２を通過してユニット内部へ送り込まれ、回転軸１、及び各ステータを効率良く冷却する。
なお、この実施の形態であっても、渦流冷却器３８より噴出された冷却風を、実施の形態１、３，４に示すように、回転軸１の周囲に流すように構成してもよい。

以上のように本発明に係る磁気軸受装置は、工作機械のスピンドルユニット等に用いられるのに適している。

Claims

回転軸にラジアル磁気軸受ロータとアキシャル磁気軸受ディスクとが固着された回転自在な回転体と、この回転体の周りに微小間隔を介して配置された電磁石と、これらを収納する筐体とを備えた磁気軸受装置において、
前記回転体の駆動力を用いて低温の冷却風を生成する冷却風生成手段と、この冷却風生成手段にて生成された低温の冷却風を磁気軸受装置内部に流通させる冷却風流通路とを備えてなる磁気軸受装置。
前記冷却風生成手段は、前記回転体の駆動力を用いて高速気流を生成する高速気流生成手段と、この高速気流生成手段にて生成された高速気流を渦流に変換する変換手段と、この変換手段にて変換された高速渦流を流通させる気流通路と、この気流通路の反変換手段側に設けられたコントロールバルブとを備えたものであることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の磁気軸受装置。
ラジアル磁気軸受ロータとアキシャル磁気軸受ディスクとが固着された回転自在な回転軸と、前記ラジアル磁気軸受ロータ及びアキシャル磁気軸受ディスクに対して微小間隔を介して配置された電磁石と、これらを収納する筐体とを備えた磁気軸受装置において、
前記回転軸に設けられ、この回転軸の駆動力により軸方向の気流を発生させるフィン、このフィンと所定間隔を介して固定され、高速渦流を生成するジェネレータ、このジェネレータにて生成された高速渦流を流通させるチューブ、及びこのチューブの反ジェネレータ側に設けられたコントロールバルブを有し、低温の冷却風を生成する冷却風生成手段と、この冷却風生成手段にて生成された低温の冷却風を磁気軸受装置内部に流通させる冷却風流通路とを備えてなる磁気軸受装置。
前記冷却風流通路は、前記回転軸部に、軸方向に延在するように設けられていることを特徴とする請求の範囲第３項に記載の磁気軸受装置。
前記冷却風流通路は、筐体に設けられた冷却風流通路と、この筐体に設けられた冷却風流通路に前記低温の冷却風を導くパイプとを有することを特徴とする請求の範囲第３項または第４項に記載の磁気軸受装置。
ラジアル磁気軸受ロータとアキシャル磁気軸受ディスクとが固着された回転自在な回転軸と、前記ラジアル磁気軸受ロータ及びアキシャル磁気軸受ディスクに対して微小間隔を介して配置された電磁石と、これらを収納する筐体とを備えた磁気軸受装置において、
前記アキシャル磁気軸受ディスクに設けられ、このアキシャル磁気軸受ディスクの外径方向に向かう気流を発生させるフィン、このフィンの外周部に位置し、前記フィンにて発生させられた気流を取込み且つ外径方向に向かって高速気流として吹出す供給口、この供給口より吹出された高速気流を、渦流に変換するジェネレータ、前記筐体に軸方向に延在するように設けられ、このジェネレータにて生成された高速渦流を流通させる気流通路、及びこの気流通路の反ジェネレータ側に設けられたコントロールバルブを有し、低温の冷却風を生成する冷却風生成手段と、この冷却風生成手段にて生成された低温の冷却風を磁気軸受装置内部に流通させる冷却風流通路とを備えてなる磁気軸受装置。
前記低温の冷却風を回転軸部に導く案内部を設けたことを特徴とする請求の範囲第６項に記載の磁気軸受装置。
前記冷却風流通路は、前記筐体に設けられ、前記冷却風生成手段にて生成された低温の冷却風が流通する冷却風流通路と、この冷却流通路を通過した冷却風を回転軸部に導く案内板と、回転軸部に設けられ、前記案内板にて案内された冷却風を軸方向に流通させ、回転軸部を冷却する冷却風流通路とを有することを特徴とする請求の範囲第６項に記載の磁気軸受装置。
ラジアル磁気軸受ロータとアキシャル磁気軸受ディスクとが固着された回転自在な回転軸と、前記ラジアル磁気軸受ロータ及びアキシャル磁気軸受ディスクに対して微小間隔を介して配置された電磁石と、これらを収納する筐体とを備えた磁気軸受装置において、
前記アキシャル磁気軸受ディスクに設けられ、このアキシャル磁気軸受ディスクの外径方向に向かう気流を発生させるフィン、このフィンの外周部に位置し、前記フィンにて発生させられた気流を取込み且つ外径方向に向かって高速気流として吹出す供給口、この供給口より吹出された高速気流を流通させる気流通路、この気流通路より吹出された高速気流を、渦流に変換するジェネレータ、このジェネレータにて生成された高速渦流を流通させるチューブ、及びこのチューブの反ジェネレータ側に設けられたコントロールバルブを有し、低温の冷却風を生成する冷却風生成手段と、この冷却風生成手段にて生成された低温の冷却風を磁気軸受装置内部に流通させる冷却風流通路とを備えてなる磁気軸受装置。