(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸を駆動するモータと、この回転軸に設けられたロータ部と、複数の磁極から構成されたステータ部で構成される回転装置であって、上記ロータ部と上記磁極の間に形成される磁束密度が、上記磁極端部から磁極中央部に向けて円周方向で増加すると共に、上記磁極中央部に対して円周方向で非対称であることを特徴とする回転装置。
【請求項２】
上記磁束密度は、上記２つの磁極の境界の中間点から円周方向の区間で傾斜した分布をもち、上記磁極の中央部においては平坦な分布をもつ請求項１に記載の回転装置。
【請求項３】
上記磁極の内面と上記ロータの間で形成される磁路の間隙が、上記磁極の端部から円周方向の上記磁極の中央部に向けて円周方向で先細りとなるように上記磁極の内面に傾斜面が形成されている請求項１に記載の回転装置。
【請求項４】
上記磁極中央部の内面には、均一な磁路の間隙を保つように上記ロータの同芯円が形成されている請求項３に記載の回転装置。
【請求項５】
上記ロータ上の一点と上記磁極のうちの１つの磁極に着目したとき、上記ロータ上の一点が最初に通過する上記磁極の端部近傍を上記磁極の入口側、その反対側を上記磁極の出口側として、上記磁束密度が磁極端部から磁極中央に向けて円周方向で増加していく分布を持つ上記磁極の入口側区間をα1、上記磁束密度が上記磁極中央から上記磁極端部に向けて円周方向で減少していく分布を持つ上記磁極の出口側区間をα2としたとき、α1＜α2とした請求項２に記載の回転装置。
【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、上記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請求項１に記載の回転装置。
【請求項７】
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請求項１に記載の回転装置。
【請求項８】
上記ステータ部を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請求項１に記載の回転装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の回転装置を備えた加工装置であって、
上記回転軸に工具を設け、上記回転軸と被加工物との間に、相対的な並進運動を生じさせる並進運動駆動装置を有し、上記並進運動駆動装置による上記相対的な並進運動により、上記回転軸に設けられた上記工具で上記被加工物を加工する加工装置。
【請求項１０】
回転軸を駆動するモータと、この回転軸に設けられたロータ部と、複数の磁極から構成されたステータ部と、上記ロータ部と上記ステータ部により回転軸の軸径方向荷重を支持するラジアル磁気軸受を構成するとともに、上記ロータ部と上記磁極の間に形成される磁束密度分布は、磁極中央部に対して円周方向で非対称であることを特徴とする回転装置。
【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などの回転装置及び当該回転装置を備えた加工装置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図れる、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２２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、５１１はスラスト変位センサ、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。
【００１１】
図２３（Ａ），（Ｂ）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２２の５０３に相当）、６０１は固定子鉄芯（図２２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。
【００１２】
さて、回転子鉄芯中の一点は回転によって、図２３（Ａ）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。
【００１４】
▲１▼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。
【００１５】
▲２▼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。
【００１６】
▲３▼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。
【００１７】
本発明は、渦電流損を低減させる上で、上記▲１▼〜▲３▼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、本発明者の一人は、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、ロータと上記磁極の内面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円周方向で徐々に増加していく分布を持つように上記磁極の形状を形成することにより、大幅な損失低減が図れることを既に特願平１０−１１８３１９号で提案し、出願中である。
【００１９】
本発明は上記提案をさらに改良するもので、本発明の目的は、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）を同時に実現することができる回転装置及び当該回転装置を備えた加工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】
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
【００２１】
本発明の第１態様によれば、回転軸を駆動するモータと、この回転軸に設けられたロータ部と、複数の磁極から構成されたステータ部で構成される回転装置であって、上記ロータ部と上記磁極の間に形成される磁束密度分布は、上記磁極端部から磁極中央部に向けて円周方向で増加すると共に、上記磁極中央部に対して円周方向で非対称であることを特徴とする回転装置を提供する。
【００２２】
本発明の第２態様によれば、上記磁束密度は、上記２つの磁極の境界の中間点から円周方向の区間で傾斜した分布をもち、上記磁極の中央部においては平坦な分布をもつ第１態様に記載の回転装置を提供する。
【００２３】
本発明の第３態様によれば、上記磁極の内面と上記ロータの間で形成される磁路の間隙が、上記磁極の端部から円周方向の上記磁極の中央部に向けて円周方向で先細りとなるように上記磁極の内面に傾斜面が形成されている第１態様に記載の回転装置を提供する。
【００２４】
本発明の第４態様によれば、上記磁極中央部の内面には、均一な磁路の間隙を保つように上記ロータの同芯円が形成されている第３態様に記載の回転装置を提供する。
【００２５】
本発明の第５態様によれば、上記ロータ上の一点と上記磁極のうちの１つの磁極に着目したとき、上記ロータ上の一点が最初に通過する上記磁極の端部近傍を上記磁極の入口側、その反対側を上記磁極の出口側として、上記磁束密度が磁極端部から磁極中央に向けて円周方向で増加していく分布を持つ上記磁極の入口側区間をα1、上記磁束密度が上記磁極中央から上記磁極端部に向けて円周方向で減少していく分布を持つ上記磁極の出口側区間をα2としたとき、α1＜α2とした第２態様に記載の回転装置を提供する。
【００２６】
本発明の第６態様によれば、ＮＳＳＮ型の磁極配置からなるラジアル電磁石に於いて、上記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第１態様に記載の回転装置を提供する。
【００２８】
本発明の第７態様によれば、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第１態様に記載の回転装置を提供する。
【００２９】
本発明の第８態様によれば、上記ステータ部を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第１態様に記載の回転装置を提供する。
【００３１】
本発明の第９の態様によれば、第１〜８のいずれかの態様に記載の回転装置を備えた加工装置であって、
上記回転軸に工具を設け、上記回転軸と被加工物との間に、相対的な並進運動を生じさせる並進運動駆動装置を有し、上記並進運動駆動装置による上記相対的な並進運動により、上記回転軸に設けられた上記工具で上記被加工物を加工する加工装置を提供する。
【００３３】
本発明の第１０態様によれば、回転軸を駆動するモータと、この回転軸に設けられたロータ部と、複数の磁極から構成されたステータ部と、上記ロータ部と上記ステータ部により回転軸の軸径方向荷重を支持するラジアル磁気軸受を構成するとともに、上記ロータ部と上記磁極の間に形成される磁束密度分布は、磁極中央部に対して円周方向で非対称であることを特徴とする回転装置を提供する。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下に，本発明の実施の形態の概要を述べ、その原理と効果を動磁場解析の結果を用いて説明する。
I．本発明の実施形態の概要
［１］高速回転における磁束密度分布
図１２は、既提案のラジアル磁気軸受電磁石の原理図を示している。（これを比較例１とする。）４１はロータ、４２はステータ部である。このステータ部４２も、４つのＮ極４３ａ〜４３ｄと４つのＳ極４４ａ〜４４ｄ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。４５は真円部であり、この部分でのロータと磁極の間隙ｈ1は均一である。４６、４７は巻き線の収納部、４８、４９は異極間の間隙部であるスロット部である。
【００３５】
図４（Ａ），（Ｂ）は、比較例１において、回転数Ｎ＝０ｒｐｍの場合の磁束の等高線を示している。Ｎ＝０ｒｐｍでは入口側，出口側とも磁束密度分布は対称である。また、図５（Ａ），（Ｂ）は、比較例１の電磁石において、回転数Ｎ＝４０，０００ｒｐｍの場合の磁束の等高線を示している。図５（Ｂ）より４０，０００ｒｐｍという高速回転により、ロータ上の渦電流による反磁界の影響で磁束が変形し、磁束密度分布がロータ上の一点が最初に通過する磁極の端部近傍である磁極の入口側で疎、その反対側の磁極の出口側で密となっている。さらに、図１３はＮ＝０ｒｐｍの場合とＮ＝４０，０００ｒｐｍの場合における電磁石とロータ間のギャップの磁束密度を示している。Ｎ＝４０，０００ｒｐｍの場合には、入口側から出口側へ向けて磁束密度の大きさが増加する特性となることが示されている。この磁束密度の分布から、高速回転時に入口側の磁束密度が疎の部分では渦電流損は小さく，出口側の磁束密度が密の部分では渦電流損は大きくなる。
［２］比較例２のテーパの効果比較例２と課題
図１５は、既提案のラジアル磁気軸受電磁石の原理図を示すものである。（これを比較例２とする。）８１はロータ、８２はステータ部であり、このステータ部８２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８３ａ〜８３ｄと４つのＳ極８４ａ〜８４ｄ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８３ａに注目すると、８５、８６は磁極８３ａ内面の両端部に形成された傾斜部（テーパ部）、８７はロータ８１と同芯の真円部、８８、８９はそれぞれの磁極を位置決めして締結するように係合可能な凹凸の連結部、９０、９１は巻き線の収納部、９２、９３は異極間の間隙部であるスロット部である。８５〜９１は他の磁極にも同様に形成されている。
【００３６】
渦電流損は回転子鉄心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８１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の２乗に比例することになる。そこで、比較例２の電磁石では、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ような電磁石形状（テーパ付き）にすることにより、渦電流損の発生を抑制して発熱の大幅な低減を図っている。しかし、比較例１と比較して、総磁束が低下するため、比較例１と同じ吸引力を発生させるためには、磁束密度の最大値を増加させる必要があった。磁束密度の最大値を増加する施策として、例えば電磁石電流を増加する方法がある。しかし、その結果損失は増加する。
［３］本発明の第１，２実施形態の着眼点
そこで、本発明の第１，２実施形態では、渦電流の発生が動磁場の効果によって入口側と出口側とで非対称（磁極の入口側で疎、出口側で密）となることに着目し、電磁石形状を磁束密度の変化に対応して形成するよう、磁極中央部に対して円周方向で非対称にすることにより、渦電流損及び吸引力に対して最適な形状に形成し、吸引力を低下させずに渦電流損失を低減させることができる。
II．第１，２実施形態の電磁石形状と従来例の比較
［１］本発明の第１実施形態の電磁石Ｅの場合
図１は、本発明の第１実施形態によるラジアル磁気軸受電磁石の（電磁石Ｅ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ように係合可能な凹凸の連結部、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。５〜１１は他の磁極にも同様に形成されている。
【００３７】
図２に、本発明の第１実施形態の磁極３ａの部分拡大図を示す。この第１実施形態では、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＝１２度に設定している。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の区間を磁束密度曲線の立ち下がり区間（減速区間）と呼ぶことにする。また、中央部の角度βの区間（真円部）７は、磁極の内面がロータ１と同芯円で形成されており、ロータ１と磁極の間隙（エアーギャップ）ｈ2は均一である。本発明の第１実施形態は、α＜γとすることにより電磁石形状を磁極中央部に対して円周方向で非対称にし、かつ中央部の角度βの区間７におけるロータ１と磁極の間隔（エアーギャップ）を小さくしたものである。すなわち、動磁場解析により求めた磁束密度分布をもとに、中央部の角度βの区間７におけるロータ１と磁極の間隔（エアーギャップ）を比較例１よりも小さくし、さらに、出口側の磁束密度の立ち下がり区間を長くした形状である。具体的には、上記α＝１６度，γ＝２５度で形成している。さらに、中央部の角度βの区間におけるロータ１と磁極の間隔（エアーギャップ）ｈ2と比較例１におけるエアーギャップｈ1との関係はｈ1＞ｈ2となるように形成した。
［２］比較例１の電磁石Ｆの場合
図１２は、磁極内面の両端部に傾斜部（テーパ部）を形成しない場合のラジアル磁気軸受電磁石Ｆの原理図を示している。異極間の間隙部におけるスロット幅δは、δ＝１２度に設定している。
［３］比較例２の電磁石Ａの場合
図１５の比較例２の原理図における磁極８３ａの拡大図を図１６に示す。比較例２を電磁石Ａと呼ぶ。磁極の端部と同芯部８７の間はゆるやかな傾斜面で結び、α＝γ＝１６度の区間で傾斜部８５、８６を形成している。また、中央部の角度βの区間８７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）ｈ１は均一である。また、比較例２では異極間の間隙部におけるスロット幅δを、比較例１と同様にδ＝１２度に設定している。
【００３８】
ところで、スロット幅δの区間では理論的には磁束密度Ｂ＝０のはずであるが、（１）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。といった、上記（１），（２）の理由により、立ち上がり区間α、立ち下がり区間γいっぱいに磁界の分布に傾斜角をもたせている。また、比較例２では、α＝γとしている。比較例１の場合も、上記（１），（２）の理由により、スロット幅δの区間で若干の傾斜角をもたせている。
III．動磁場解析
上記解析モデルを用いて、本発明の第１実施形態に対して磁束密度，吸引力を求める動磁場解析を行い、比較例１，比較例２との比較のもとに渦電流損の低減に効果的な電磁石形状を求めた。
［１］解析条件
解析条件として、解析の対象とする電磁石Ｅ，電磁石Ｆ，電磁石Ａにおいて、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、Ｔ：電磁鋼板の板厚（＝０．０００１ｍ），ｂ：磁気軸受の幅（＝０．０５ｍ），σ：導電率（＝１／ρ），ｒ：主軸の半径（＝０．０９／２ｍ），ω：回転数（＝４００００ｒｐｍ×２×π／６０）である。図３に磁極近傍の渦電流の発生状況をモデル化して示す。
【００３９】
以下に述べる解析結果は、上記解析条件において微小角度ずつ１回転（３６０度）変化させたときの動磁場解析により、磁束密度，吸引力を計算したものである。
［２］磁束密度の比較
図６，図１７は動磁場解析より求めた本発明の第１実施形態の磁束密度を、比較例１の電磁石Ｆとの対比のもとで示している。横軸は電磁石のスロット中央部からの角度であり、１８０度分（ＮＳＮＳの４極分）の磁束密度を示している。定性的に表現するならば、前述したように渦電流損失は磁束密度の変化分（＝∂Ｂ／∂θ）が小さい程小さく、負荷能力ば磁束密度Ｂの総面積が大きいほど大きい。従って、磁束密度の入口，出口によりなだらかな傾斜を持たせると共に、総面積をより大きくとることが低損失で高負荷能力の磁気軸受を実現するポイントである。すなわち、図６から、入口部分は磁束密度Ｂの絶対値が小さいため、立ち上がり区間：θ1を小さく形成しても、磁束密度Ｂになだらかな傾きａを与えることができる。出口部分は磁束密度Ｂの絶対値が大きいために立ち下がり区間：θ2を十分大きくとり、十分になだらかな傾きｂを与えている。その結果、磁束密度Ｂの全体の大きさを、負荷能力を上げるために大きくしても、入口，出口共に十分になだらかな傾斜を与えることができる。したがって、図６，図１７の解析結果は以下のように要約できる。
【００４０】
▲１▼  電磁石Ｅと電磁石Ｆの磁束密度の対比を示した図６において、電磁石Ｅの平坦部分７（β区間）のステータとロータ間のギャップは電磁石Ｆのそれよりも小さくしている。平坦部分７の磁束密度が大きくなっているにもかかわらず、電磁石Ｅの立ち上がり，立ち下がり区間共磁束密度もなだらかな勾配部分を持っている。その結果、本発明の第１実施形態の電磁石Ｅは大きな負荷能力を持つにもかかわらず渦電流損失は小さい。
【００４１】
▲２▼  電磁石Ｆと電磁石Ａの磁束密度の対比を示した図１７において、電磁石Ａは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している。しかし、電磁石Ｆと電磁石Ａにおける磁束密度Ｂの面積の差に相当する分だけ電磁石Ａの負荷能力は低下する。
［３］吸引力の比較
図７，図１４，図１８は動磁場解析より求めた吸引力を示している。図中のベクトルの大きさが吸引力の大きさをあらわしている。さて、図７，図１４，図１８の解析結果は以下のように要約できる。
【００４２】
▲１▼  図７は電磁石Ｅの吸引力を示している。電磁石Ｅは、立ち下がり区間５を広くとっているので吸引力の分布もなだらかな勾配部分が広くなっている。また、平坦部分７（β区間）の電磁石Ｆとロータ１のギャップを電磁石Ｆよりも小さくしているため平坦部分７（β区間）での吸引力の絶対値は大きくなり、立ち下がり区間５での吸引力の低下を補っている。図１８は電磁石Ａの吸引力を示しており、傾斜面を持たない電磁石Ｆ（図１４）と比較して、Ｎ→ＳあるいはＳ→Ｎに移り変わる際の吸引力分布はなだらかな勾配をもっているが、吸引力の絶対値は電磁石Ｆと比べて小さい。
［４］渦電流損の低減の効果
本発明の第１実施形態では、高速回転時の磁束密度分布が入口側と出口側で非対称であることに着目し、磁束密度が密となる磁極の出口側（立ち下がり区間）では、磁束密度がなだらかな勾配を持つような形状にして渦電流損の発生を抑制し、磁束密度が疎であり渦電流損の少ない磁極の入口側では、短い区間で傾斜を持たせることにより電磁石とロータのギャップを平均的に小さくして、吸引力を増加させている。また、磁束密度に磁極の円周方向に傾斜した分布を与える方法として、ロータとステータ（電磁石）間のギャップを円周方向で変化させる以外に、磁極からロータに至る磁気回路において、磁気抵抗が入口，出口近傍で大きくなる様な磁極形状を採用してもよい。この場合でも磁極の入口側と出口側の形状は非対称となる。
【００４３】
以上、第１実施形態で示したように高速回転時の動磁場の効果を利用して、電磁石形状を磁極中央部に対して円周方向でテーパ形状を非対称とすることにより、吸引力の低下を補償しかつ渦電流損を低減させる最適な電磁石形状を形成することができ、吸引力を低下させずに発熱を大幅に低減した磁気軸受を提供することができた。下表１は本発明の上記第１実施形態の効果として、同一の吸引力での渦電流損失を比較例１を１．０として上記第１実施形態の実例を比率で示している。
【００４４】
【表１】
表１．本発明の実施形態の効果
0003712565.tif 000002
【００４５】
IV．本発明のその他の実施の形態
［１］本発明の第２実施形態の電磁石Ｇの場合
図８は、本発明の第２実施形態によるラジアル磁気軸受電磁石（電磁石Ｇと呼ぶ）の原理図を示すものである。２１はロータ、２２はステータ部であり、このステータ部２２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２３ａ〜２３ｄと４つのＳ極２４ａ〜２４ｄ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２３ａに注目すると、２５は磁極２３ａ内面の両端部に形成された傾斜部、２６はロータ２１と同芯の真円部、２７、２８はそれぞれの磁極を位置決めして締結するように係合可能な凹凸の連結部、２９、３０は巻き線の収納部、３１、３２は異極間の間隙部であるスロット部である。２５〜３０は他の磁極にも同様に形成されている。
【００４６】
図９に磁極２３ａの部分拡大図を示す。第２実施形態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＝１２度に設定している。ここで角度：γの区間を立ち下がり区間（減速区間）と呼ぶことにする。図９に示すように、上記磁束密度曲線の立ち下がり区間γに傾斜部を形成することにより、電磁石形状を磁極中央部に対して円周方向で非対称となる構成としている。また、中央部の角度βの区間２６は磁極の内面がロータ２１と同芯円で形成されており、ロータ２１と磁極の間隔（エアーギャップ）ｈ1は均一である。
［２］動磁場解析による磁束密度の比較
図１０は、上記本発明の第１実施形態と同じ解析条件で、動磁場解析により求めた磁束密度を、電磁石Ｆと電磁石Ｇの磁束密度の対比のもとで示している。横軸は電磁石のスロット中央部からの角度であり、１８０度分（ＮＳＮＳの４極分）の磁束密度を示している。破線が電磁石Ｇであり、電磁石Ｇは立ち上がり区間を設定しないことにより磁極の入り口側での磁束密度が電磁石Ｆと同程度になっていることが示されている。
［３］動磁場解析による吸引力の比較
図１１は、上記本発明の第１実施形態と同じ解析条件で、動磁場解析より求めた吸引力を示している。図中のベクトルの大きさが吸引力の大きさをあらわしている。さて、図１１の解析結果から、電磁石Ｇは立ち上がり区間を形成しないことにより、電磁石Ａ（図１８）と比較して磁極の入り口側での吸引力は増加している。電磁石Ｇでは吸引力の低下は、立ち上がり区間を形成しないことにより補っている。
［４］渦電流損の低減の効果
本発明の第２実施形態では、高速回転時の磁束密度分布の変化に着目し、磁束密度が密となる磁極の出口側（立ち下がり区間）では、磁束密度がなだらかな勾配を持つような形状（テーパ形状）にして渦電流損の発生を抑制し、磁束密度が疎であり渦電流損の少ない磁極の入口側では、テーパ形状を形成せず磁束を増加させる形状にすることにより、吸引力を増加させている。
V．第２実施形態の補足説明
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。
【００４７】
本発明の第２実施形態は、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。
【００４８】
本発明の上記第１，２実施形態では、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、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、特に渦電流損が大きい立ち下がり区間を長くとることにより、渦電流損の発生を抑制して発熱の大幅な低減を図っている。さらに、渦電流損の小さい立ち上がり区間において勾配を形成しないことや、立ち上がり区間側での磁極とロータ間の間隔を小さくすることにより吸引力を増加させて負荷能力・剛性を増加させている。
【００４９】
以上、磁石の配置がＮＳＮＳ型について説明してきたが、ＮＳＳＮ型でも同様に適用できる。
【００５０】
図１９は、本発明の第３実施形態によるＮＳＳＮ型のラジアル磁気軸受電磁石の原理図を示すものである。４０１はロータ、４０２はステータ部であり、このステータ部４０２は８極の独立した磁極から構成されている。すなわち、４つのＮ極４０３ａ〜４０３ｄと４つのＳ極４ａ〜４ｄが円周方向で同極の組（ＮＮ又はＳＳ）が交互に配置された構成となっている。Ｎ極４０３ａ，４０３ｂに注目すると、４０５は磁極４０３ａ内面の端部に形成された傾斜部（テーパ部）、４０６，４０７はロータ４０１と同芯の真円部である。ＮＳＳＮ型の場合、同極同志（ＮとＮ又はＳとＳ）の区間は磁束密度が大きく変化しないためテーパを形成しなくてもよく、異極間（ＮとＳ）のみテーパを形成すればよい。４０８、４０９はそれぞれの磁極を位置決めして締結するように係合可能な凹凸の連結部、４１０、４１１は巻き線の収納部、４１２、４１３は異極間の間隙部であるスロット部である。４０５〜４１１は他の磁極にも同様に形成されている。
【００５１】
本発明の第１，２，３実施形態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、分割工法を用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。
【００５２】
図２０は、上記工法を本発明の第１実施形態（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。上記工法を用いれば、任意の形状の磁極を採用できる。なお、電動モータでは上記分割工法は公知であるが、本発明の第１実施形態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。
【００５３】
また、上記第１，２実施形態では、加工用スピンドルを例に挙げて説明したが、ターボ分子ポンプなどにも本発明を適用できる。
【００５４】
図２１は、上記第１，２，３実施形態にかかる上記加工用スピンドルの回転軸に工具を設け、被加工物を加工する本発明の第４実施形態を示す加工装置の外観図で、５２０は回転軸、５２１は工具、５２２は金型等の被加工物、５２３はＸ軸方向の並進運動を生じさせる並進運動駆動装置であるＸ軸方向並進運動用アクチュエータ、５２４はＹ軸方向の並進運動を生じさせる並進運動駆動装置であるＹ軸方向並進運動用アクチュエータ、５２５はＺ軸方向の並進運動を生じさせる並進運動駆動装置であるＺ軸方向並進運動用アクチュエータ、５２６はＺ軸回りの回転運動を生じさせる回転運動駆動装置である回転運動用アクチュエータである。工具５２１は、回転軸５２０に設けられて、工具５２１により被加工物５２２を加工するものである。Ｙ軸方向並進運動用アクチュエータ５２４は、回転軸５２０を有するＺ軸方向並進運動用アクチュエータ５２５をＹ軸方向に並進移動させることにより、回転軸５２０をＹ軸方向に並進移動させるためのものである。また、Ｚ軸方向並進運動用アクチュエータ５２５は、回転軸５２０をＺ軸方向に並進移動させるためのものである。また、回転運動用アクチュエータ５２６は、載置台５２６ａ上に載置された被加工物５２２をＺ軸回りに回転移動させるためのものである。また、Ｘ軸方向並進運動用アクチュエータ５２３は、被加工物５２２を有する回転運動用アクチュエータ５２６をＸ軸方向に並進移動させるためのものである。アクチュエータ５２３、５２４、５２５、５２６のそれぞれの独立した駆動により、上記工具５２１で被加工物５２２に様々な形状の加工を行うことができる。
【００５５】
なお、第４実施形態では回転スピンドル５２０側にＹ軸方向並進運動用アクチュエータ５２４、Ｚ軸方向並進運動用アクチュエータ５２５、被加工物５２２側にＸ軸方向並進運動用アクチュエータ５２３、Ｚ軸周りの回転運動用アクチュエータ５２６を設けていたが、回転軸５２０側にＸ軸方向並進運動用アクチュエータ５２３、Ｚ軸回りの回転運動用アクチュエータ５２６、被加工物５２２側にＹ軸方向、Ｚ軸方向アクチュエータ５２４、５２５を設けてもよい。また、Ｘ軸回り、Ｙ軸回りに回転移動させるためのアクチュエータを付加してもよく、被加工物５２２の所定の形状が得られるために最低限必要なアクチュエータ数があればよい。
【００５６】
上記本発明の第１，２，３実施形態によれば、渦電流の発生が動磁場の効果によって入口側と出口側とで非対称（磁極の入口側で疎、出口側で密）となることに着目し、電磁石形状を磁束密度の変化に対応して形成するよう、磁極中央部に対して円周方向で非対称にすることにより、渦電流損及び吸引力に対して最適な形状に形成し、吸引力を低下させずに渦電流損失を低減させることができる。
【００５７】
よって、このように高速回転時の磁束密度分布に対応した電磁石形状を形成することにより、従来の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。
【００５８】
また、本発明の第２実施形態では、高速回転時の磁束密度分布の変化に着目し、磁束密度が密となる磁極の出口側（立ち下がり区間）では、磁束密度がなだらかな勾配を持つような形状（テーパ形状）にして渦電流損の発生を抑制し、磁束密度が疎であり渦電流損の少ない磁極の入口側では、テーパ形状を形成せず磁束を増加させる形状にすることにより、吸引力を増加させることができる。
【００５９】
よって、本発明の上記実施形態では、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。
【００６０】
【発明の効果】
本発明を用いれば、高速回転時の磁束密度分布に対応した電磁石形状を形成することにより、従来の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。
【００６１】
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。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明にかかる第１実施形態であるラジアル磁気軸受の電磁石Ｅの原理図である。
【図２】  本発明にかかる第１実施形態であるラジアル磁気軸受の電磁石Ｅの拡大図である。
【図３】  渦電流損失解析のためのモデル図である。
【図４】  回転数Ｎ＝０ｒｐｍ時の磁気軸受電磁石の磁束等高線を示す図であって、（Ａ）は全体図、（Ｂ）は拡大図である。
【図５】  回転数Ｎ＝４０，０００ｒｐｍ時の磁気軸受電磁石の磁束等高線を示す図であって、（Ａ）は全体図、（Ｂ）は拡大図である。
【図６】  本発明の第１実施形態である磁極の磁束密度分布を示す図である。
【図７】  本発明の第１実施形態である電磁石の吸引力を示す図である。
【図８】  本発明にかかる第２実施形態であるラジアル磁気軸受の電磁石Ｇの原理図である。
【図９】  本発明にかかる第２実施形態であるラジアル磁気軸受の電磁石Ｇの拡大図である。
【図１０】  本発明の第２実施形態である磁極の磁束密度分布を示す図である。
【図１１】  本発明の第２実施形態である電磁石の吸引力を示す図である。
【図１２】  比較例１であるラジアル磁気軸受の電磁石Ｆの原理図である。
【図１３】  既存電磁石（比較例１）の磁極の磁束密度分布を示す図である。
【図１４】  比較例１である電磁石の吸引力を示す図である。
【図１５】  比較例２であるラジアル磁気軸受の電磁石Ａの原理図である。
【図１６】  比較例２であるラジアル磁気軸受の電磁石Ａの拡大図である。
【図１７】  比較例２である磁極の磁束密度分布を示す図である。
【図１８】  比較例２である電磁石の吸引力を示す図である。
【図１９】  本発明の第３実施形態によるＮＳＳＮ型のラジアル磁気軸受電磁石の原理図である。
【図２０】  極分割工法を用いた場合の磁極一個分の矢視図である。
【図２１】本発明の第４実施形態である加工装置の外観を示す図である。
【図２２】  従来の磁気軸受スピンドルの正面断面図である。
【図２３】  従来のラジアル磁気軸受を示す図であって、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図である。
【符号の説明】
１                ロータ
２                ステータ部
３ａ〜３ｄ        Ｎ極
４ａ〜４ｄ        Ｓ極
５                磁極３ａ内面に形成せれた傾斜部
６                磁極３ａ内面に形成せれた傾斜部
７                ロータ１と同芯の真円部
８                磁極を位置決めして締結するように係合可能な凹凸の連結部
９                磁極を位置決めして締結するように係合可能な凹凸の連結部
１０              巻線の収納部
１１              巻線の収納部
１２              異極間の間隙部であるスロット部
１３              異極間の間隙部であるスロット部
２１              ロータ
２２              ステータ部
２３ａ〜２３ｄ    Ｎ極
２４ａ〜２４ｄ    Ｓ極
２５              磁極２３ａ内面に形成せれた傾斜部
２６              ロータ２１と同芯の真円部
２７              磁極を位置決めして締結するように係合可能な凹凸の連結部
２８              磁極を位置決めして締結するように係合可能な凹凸の連結部
２９              巻線の収納部
３０              巻線の収納部
３１              異極間の間隙部であるスロット部
３２              異極間の間隙部であるスロット部
４１              ロータ
４２              ステータ部
４３ａ〜４３ｄ    Ｎ極
４４ａ〜４４ｄ    Ｓ極
４５              真円部
４６              巻線の収納部
４７              巻線の収納部
４８              異極間の間隙部であるスロット部
４９              異極間の間隙部であるスロット部
８１              ロータ
８２              ステータ部
８３ａ〜８３ｄ    Ｎ極
８４ａ〜８４ｄ    Ｓ極
８５              磁極８３ａ内面に形成せれた傾斜部
８６              磁極８３ａ内面に形成せれた傾斜部
８７              ロータ８１と同芯の真円部
８８              磁極を位置決めして締結するように係合可能な凹凸の連結部
８９              磁極を位置決めして締結するように係合可能な凹凸の連結部
９０              巻線の収納部
９１              巻線の収納部
９２              異極間の間隙部であるスロット部
９３              異極間の間隙部であるスロット部
４０１            ロータ
４０２            ステータ部
４０３ａ〜４０３ｄ  Ｎ極
４０４ａ〜４０４ｄ  Ｓ極
４０５            磁極４０３ａ内面に形成せれた傾斜部
４０６            ロータ４０１と同芯の真円部
４０７            ロータ４０１と同芯の真円部
４０８            磁極を位置決めして締結するように係合可能な凹凸の連結部
４０９            磁極を位置決めして締結するように係合可能な凹凸の連結部
４１０            巻線の収納部
４１１            巻線の収納部
４１２            異極間の間隙部であるスロット部
４１３            異極間の間隙部であるスロット部
５００            スピンドルの主軸
５０１            モータロータ
５０２            モータステータ
５０３            フロント側ラジアル軸受
５０４            フロント側ラジアル軸受
５０５            リア側ラジアル軸受
５０６            リア側ラジアル軸受
５０７            スラスト軸受
５０８            スラスト軸受
５０９            フロント側ラジアル変位センサ
５１０            リア側ラジアル変位センサ
５１１            スラスト変位センサ
５１２            保護ベアリング
５１３            保護ベアリング
５１４            ケーシング
５２０            回転スピンドル
５２１            工具
５２２            被加工物
５２３            Ｘ軸方向並進運動用アクチュエータ
５２４            Ｙ軸方向並進運動用アクチュエータ
５２５            Ｚ軸方向並進運動用アクチュエータ
５２６            回転運動用アクチュエータ
６００            ロータ
６０１            固定子鉄芯
６０２            巻線
６０３            磁束の流れ
６０４            磁極
【図１】
0003712565.tif 000003
【図２】
0003712565.tif 000004
【図３】
0003712565.tif 000005
【図４】
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【図５】
0003712565.tif 000007
【図６】
0003712565.tif 000008
【図７】
0003712565.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
0003712565.tif 000012
【図１１】
0003712565.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
0003712565.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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