(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個の電極部材から構成され、かつ、円周方向でＮ極とＳ極が交互に配置されたラジアル磁気軸受の固定子と、前記固定子を収納するハウジングと、厚みＴｒ、導伝率σｒの珪素鋼板を複数個で構成する回転子と、前記固定子と前記回転子により支持される主軸と、前記主軸を回転駆動するモータとで構成される回転装置において、
前記固定子は前記回転子に面する部分の軸方向の幅Ｔｄ、導伝率σｄの珪素鋼板を複数個有し、σｄ＞σｒかつＴｄ＞Ｔｒであること
を特徴とする回転装置。
【請求項２】
σｄ×（Ｔｄ）2＞σｒ×（Ｔｒ）2であることを特徴とする請求項１記載の回転装置。
【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回転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、近年注目されている磁気軸受スピンドルを中心に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。
【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】
さて近年金型加工の分野において、工程の集約化と生産タクトアップを目的として、従来の放電加工を高速のエンドミル加工に置き換えるとりくみが急ピッチで進められている。複雑な曲面形状を有する高硬度材の金型部品加工が切削加工で可能になった理由は、高速切削に耐えるツール、NCソフト、高速送り機構を有するM/C等の実用レベルでの著しい進歩によるものである。
【０００６】
M/C（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。
【０００７】
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250万程度が限界とされている。
【０００９】
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。
【００１０】
図１４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。
【００１１】
図１５(イ)(ロ)はラジアル軸受部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１４のロータ５０３に相当）、６０１は固定子鉄芯（図１４のステータ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】
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。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
エンドミル加工は機械部品の加工において基本的な加工法であり、金型や自動車部品あるいはエアコンのスクロール羽根のような複雑な形状の加工には不可欠である。しかし、工具の支持方法と工具形状に起因する低剛性、低減衰性のために、また切削力が工具の刃数で決まる変動成分を持つために、びびり振動が発生しやすいのも事実である。
【００１４】
さて高DN値化を図った磁気軸受スピンドルをもちいて、たとえば高硬度材の金型鋼のエンドミル切削加工を試みた場合、高い周波数のビビリ振動の発生が大きな課題となった。その要因を究明した結果、磁気軸受が磁気浮上により非接触で支持されているがゆえにもっている基本的な素性が大きく関わっていることが分かった。
【００１５】
図１３は、磁気軸受スピンドルの剛性（変位に対する外力）の周波数特性を示すものである。ゆるやかに変化する外力が主軸に加わったときは、主軸の変位は外力の影響を受けず一定である。しかし外力の周波数が遮断周波数ｆc（たとえば、ｆc=100Herz）近傍になると、剛性は低下し主軸変位は外力の影響を最も受けやすくなる。周波数が遮断周波数ｆcを超えた右上がりの部分は、フィードバック制御が及ばない周波数領域であり、浮上物体（主軸）の質量のみから決まる慣性剛性とよばれる特性をもつ領域である。
【００１６】
変動する外乱荷重に対して回転主軸を安定に支持するためには、適切な大きさの軸受剛性と減衰特性を持つことが必要条件である。外力の周波数が低く、ｆ＜ｆcの領域では、PID制御の微分ゲイン相当するフィードバック係数を変えることにより、磁気軸受のダンピング特性を自在に設定できる。
【００１７】
しかし外力の振動数が高くなり、慣性剛性だけで軸受特性が決まるｆ＞ｆcの周波数領域になると、制御によるダンピング効果はもはや得られない。したがって、従来の磁気軸受では、高い周波数のビビリ振動に対しては、主軸材料の構造減衰に期待するか、あるいは緩衝材を主軸内部に装着するなどの方策しかなかった。
【００１８】
しかし加工負荷が大きく、プロセスダンパー（材料できまる加工粘性抵抗）の小さな高硬度材の切削では、上述した方法ではビビリ振動を完全に抑制することは困難であった。
【００１９】
本発明は、たとえば磁気軸受で支持されるスピンドルの上述した課題に対して、抜本的な解決策を与えるものである。本発明を磁気軸受に適用すれば、磁気軸受の高速・高剛性の特徴を失うことなく、軸受特性の基本的な「素性」の改良を図ることにより、ビビリ振動を抑制して高品位加工を実現することができる。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明の回転装置は、複数個の電極部材から構成され、かつ、円周方向でＮ極とＳ極が交互に配置されたラジアル磁気軸受の固定子と、前記固定子を収納するハウジングと、厚みＴｒ、導伝率σｒの珪素鋼板を複数個で構成する回転子と、前記固定子と前記回転子により支持される主軸と、前記主軸を回転駆動するモータとで構成される回転装置において、前記固定子は前記回転子に面する部分の軸方向の幅Ｔｄ、導伝率σｄの珪素鋼板を複数個有し、σｄ＞σｒかつＴｄ＞Ｔｒであるように構成したものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明は磁気軸受スピンドルを高速回転させることによってクローズアップされた現象：渦電流損に注目し、その発生原理を効果的に活用することにより、加工時のビビリ振動を抑制する方策を見い出したものである。
【００２２】
以下まず最初に本発明の原形モデルとして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。
【００２３】
（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（原形モデル）を示すものである。１は主軸２に装着されたラジアル軸受のロータ部（回転子）、３はスピンドルの固定側に締結されるステータ部（固定子）であり、いずれも複数の電磁鋼板を重ねあわせて構成される。ステータ部３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４ａ〜４ｄと４つのS極５ａ〜５ｄで構成され、異極同士が円周方向で交互に配置された構成となっている。１つの磁極４ａに着目すると、６，７は巻き線の収納部、８，９は異極同士（NとS）の磁極間の間隙部であるスロット部である。６〜９は他の磁極にも同様に形成されている。
【００２４】
本実施例では、上記ラジアル軸受の回転子と固定子に用いる電磁鋼板は板厚が大きく異なる。実施例ではいずれも珪素鋼板を用いているが、回転子１の厚みTr=0.35mmに対して、固定子３は通常用いられる珪素鋼板としては常識外の厚みTd=1.5mmを用いている。効果を要約すれば、
▲１▼上記構成により、フィードバック制御が及ばない高周波領域での軸受のダンピング特性の大幅な改善がはかれる。
【００２５】
▲２▼その結果、たとえば高硬度材を対象とした高速・高負荷のエンドミル切削加工に適用しても、ビビリ振動を大幅に抑制できる。
【００２６】
上記効果が得られる本発明の原理について、以下ラジアル磁気軸受を渦電流ダンパーと見なした場合の理論解析により詳しく説明する。
【００２７】
Ｉ．渦電流ダンパー解析
磁気軸受の渦電流損失の絶対値を求める従来の研究例、あるいは渦電流ダンパーとしての効果を求める研究例は現段階では見当たらない。そこで本発明の原理と効果を証明するために、渦電流ダンパーのシンプルな解析モデルをもとに、電磁誘導論から直接解析解を導く。
【００２８】
主軸ロータが径方向に微小振動している場合、たとえばｆ＝１KHerz以上の高い周波数では制御側は追従できず、起磁力（コイルの巻き数Nと電流値Iとの積）は一定のため、ロータとステータ間の磁界はギャップに比例して変動する。
【００２９】
この磁束の変化を妨げるように、電磁誘導の法則により、回転側、固定側の電磁鋼板に渦電流が流れる。この渦電流がロータの振動を抑制するダンパー効果となる。このダンパー効果がビビリ振動を抑制するために、はたして実用レベルの大きさで得られるのか、という点について以下考察する。
【００３０】
主軸ロータの振動を、図２(ロ)に示すように、狭いギャップを保って対向している電磁鋼板から構成された二枚の平板間の振動にモデル化する。図（ロ）において、１５は振動側（回転子１に相当），１６は固定側（固定子３に相当）であり、平板１５は
【００３１】
【数１】
0004228413.tif 000002
【００３２】
で振動するものとする。
起磁力
【００３３】
【数２】
0004228413.tif 000003
【００３４】
として
【００３５】
【数３】
0004228413.tif 000004
【００３６】
したがって磁束密度の変化分：
【００３７】
【数４】
0004228413.tif 000005
【００３８】
は、
【００３９】
【数５】
0004228413.tif 000006
【００４０】
とおくと、
【００４１】
【数６】
0004228413.tif 000007
【００４２】
電磁誘導論より
【００４３】
【数７】
0004228413.tif 000008
【００４４】
ここでＪは電流密度
【００４５】
【数８】
0004228413.tif 000009
【００４６】
、σは導伝率（抵抗率ρの逆数）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：
【００４７】
【数９】
0004228413.tif 000010
【００４８】
、またｚ方向は均一とすると、
【００４９】
【数１０】
0004228413.tif 000011
【００５０】
となる。
【００５１】
【数１１】
0004228413.tif 000012
【００５２】
渦電流損：
【００５３】
【数１２】
0004228413.tif 000013
【００５４】
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、
【００５５】
【数１３】
0004228413.tif 000014
【００５６】
であるため
【００５７】
【数１４】
0004228413.tif 000015
【００５８】
(５)式に(４)式を代入すると、二つの平板間の磁束密度が変化する場合の渦電流損失：
【００５９】
【数１５】
0004228413.tif 000016
【００６０】
が求まる。
【００６１】
【数１６】
0004228413.tif 000017
【００６２】
但し磁束が入る深さ：Sは表皮効果を考慮して、ω=ω0のときS=S0とすれば、
【００６３】
【数１７】
0004228413.tif 000018
【００６４】
またこの渦電流ダンパーによる単位時間あたりの振動散逸エネルギ：
【００６５】
【数１８】
0004228413.tif 000019
【００６６】
は
【００６７】
【数１９】
0004228413.tif 000020
【００６８】
【数２０】
0004228413.tif 000021
【００６９】
であるから、減衰定数Cが次のように求まる。
【００７０】
【数２１】
0004228413.tif 000022
【００７１】
ダンピング効果に影響を与える因子を電磁鋼板の板厚：Tで代表させる。この板厚：Tに対する減衰定数、渦電流損失、減衰と剛性比を求めた結果を、f=1kHerz、とf=4kHerzの場合につい図３〜図５に示す。
【００７２】
計算には主軸回転数：４万rpm、主軸径：φ９０mm、DN値360万の切削加工用高速スピンドルの設計値を参考にして、上記平行平板の振動にモデル化した下記の値を用いた。
【００７３】
【数２２】
0004228413.tif 000023
【００７４】
結果を要約すれば、次のようである。
▲１▼電磁鋼板の板厚：Tを大きくすれば、減衰定数、減衰と剛性比とも大幅に増加し、ダンピング特性が飛躍的に改善されることが分かる。
【００７５】
▲２▼一方、半径方向の振動によって発生する渦電流損失は極めて小さい。
たとえば、電磁鋼板の厚み：T=５ｍｍ、f=4kHerz、振幅：ｘ1=10μmの場合でも損失は僅かWv=21.4Wであり、ロータの回転によって発生する損失Wrと比べて１桁から２桁程小さい。しかし振動速度Vが小さいために、損失エネルギが僅かであるにもかかわらず、大きな減衰力（たとえば10μｍの振幅でFv=170N）が得られる。
ＩＩ．ビビリ振動抑制効果の評価
上記計算から得られた減衰定数Cをもちいて、ラジアル軸受を渦電流ダンパーとみなした場合の振動抑制効果を、再生ビビリの安定限界に関するMerrittの理論［たとえば、稲田重雄ほか：切削工学、朝倉書店、(1975)．］より評価する。
【００７６】
解析の途中の過程は省略するが、系を１自由度として、
【００７７】
【数２３】
0004228413.tif 000024
【００７８】
を加工材料、加工条件、工具、で決まるカッティングスティフネス、
【００７９】
【数２４】
0004228413.tif 000025
【００８０】
を機械構造物の剛性（＝スピンドルの剛性とする）、スピンドルの回転部の質量ｍ、減衰定数Cとする。
【００８１】
【数２５】
0004228413.tif 000026
【００８２】
としたとき、次の条件が成り立てば、工作機械はビビリ振動に対して安定である。
【００８３】
【数２６】
0004228413.tif 000027
【００８４】
ダンピング効果に影響を与える因子を電磁鋼板の板厚：Tで代表させることにより、安定性の評価をおこなった。また実測値から、ビビリ振動の周波数：
【００８５】
【数２７】
0004228413.tif 000028
【００８６】
のときのスピンドル動剛性：
【００８７】
【数２８】
0004228413.tif 000029
【００８８】
のとき
【００８９】
【数２９】
0004228413.tif 000030
【００９０】
、カッティングスティフネス：
【００９１】
【数３０】
0004228413.tif 000031
【００９２】
とした。
図６の結果を要約すれば次の通りである。
【００９３】
▲１▼ 電磁石のステータ側の電磁鋼板の板厚がT=0.35mmの場合、(10)式の右辺を
【００９４】
【数３１】
0004228413.tif 000032
【００９５】
とすれば、
【００９６】
【数３２】
0004228413.tif 000033
【００９７】
であり、
【００９８】
【数３３】
0004228413.tif 000034
【００９９】
のため不安定である。
ちなみに、磁気軸受に通常用いられる電磁鋼板の厚みは、T=0.05〜0.5ｍｍ程度である。またモータ、変圧器、リアクトル等に用いられる電磁鋼板も、通常やはり同程度の厚みのものが用いられる。
【０１００】
▲２▼電磁鋼板の板厚をT＞1.5mmにすると、
【０１０１】
【数３４】
0004228413.tif 000035
【０１０２】
となるため系は安定となり、ビビリ振動は発生しない。
以上の結果から、狭いギャップを保って対向している電磁鋼板が相対的に振動している場合、いずれか一方の電磁鋼板の板厚を充分に大きくすれば、渦電流損失のダンパー効果により、ビビリ振動を抑制できることが分かる。
【０１０３】
なを(9)式から、減衰定数Cは導伝率σに比例しかつ電磁鋼板の板厚の２乗に比例する。したがって、ビビリ振動を抑制するダンパー効果は、電磁鋼板の導伝率σを変えても調節できる。
【０１０４】
本発明は渦電流損失をラジアル軸受のダンパー効果として利用しているが、通常磁気軸受に発生する渦電流損失は極力回避すべきものとして扱われている。
【０１０５】
従来は主軸の回転によって回転側の電磁鋼板に発生する渦電流損失が、磁気軸受スピンドルの高速化を図る上で大きな課題とされていた。回転子鉄芯中の一点は回転によって、図１（イ）に示すように、N→S→N→S と固定子３の磁極に面して磁束１０の方向と大きさが変化するために、回転子鉄芯１には変動する誘起起電力が生じて渦電流が流れる。この場合の渦電流損失Wrは、次式で示すように磁束密度の最大値Ｂ0、角速度ω、電磁鋼板の板厚Tのそれぞれの2乗に比例し、導伝率σに正比例する。
【０１０６】
【数３５】
0004228413.tif 000036
【０１０７】
この渦電流損失Wrの大きさは、磁気軸受スピンドルの高DN値化を図った場合、無視できないオーダーとなる。この損失：Wrによる主軸の温度上昇は、主軸の軸方向の伸びをもたらし、振れ精度を低下させ、また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る。この損失Wrを小さくするために、通常回転子鉄芯１は、極力板厚Tが薄く導伝率σが低い電磁鋼板（珪素鋼板）を重ねあわせた積層構造が採用される。
【０１０８】
本発明は、ロータの回転によって発生する上述した渦電流損失Wrと異なり、ロータの径方向の振動による渦電流損失Wvは、回転側と固定側の両方に発生するという点に着目したものである。したがって、
（１）回転側は損失Wrを極力低減するために、従来同様に薄く、導伝率の低い（すなわち抵抗率の高い）珪素鋼板を用いる。
【０１０９】
（２）固定側には損失Wvを積極的に発生させるために、たとえば板厚が厚く、あるいは導伝率の高い珪素鋼板を用いる。
【０１１０】
上記(1)(2)を同時に施すことにより、元来「諸刃の剣」である渦電流損のマイナス面（主軸の発熱）を押えて、プラス面（ダンパー効果）のみを効果的に引き出すことが可能となるのである。
【０１１１】
このとき、たとえ固定側であったとしても、発熱に起因するマイナス面の悪影響が懸念される。しかし
（１）主軸ロータが回転することに発生する渦電流損失Wrは、原理上、主軸ロータ側に発生するものがほとんどで、固定側では少ない。
【０１１２】
（２）固定側に渦電流損失が発生しても、回転側に発生する場合と比べて次の点で有利である。
【０１１３】
▲１▼主軸（回転側）が発熱する場合と比べて、とスピンドルの基本性能（振れ精度）に与える影響は小さい。
【０１１４】
▲２▼ 固定側の冷却設計の自由度は、回転側(主軸)の場合と比べて、はるかに高い。
【０１１５】
▲３▼ダンパー効果を得る上で、不必要な損失を減らす方策（後述するダンパー部材等）を適用できる。
【０１１６】
（３） ダンパー効果を期待するラジアル振動による渦電流損失は、主軸が振動しているときのみ発生する。またこの振動による損失は、回転によるものと比べて、１〜２桁小さい。
【０１１７】
上記理由により、本発明ではマイナス面の悪影響は極力小さくできる。
（実施の形態２）
図７は、本発明によるラジアル磁気軸受電磁石の第２の実施例を示すものである。２０は主軸２１に装着されたラジアル軸受のロータ部である回転子鉄芯、２２はスピンドルの固定側に締結されるステータ部である固定子鉄芯である。回転子鉄芯２０は、複数枚の薄く導伝率の低い電磁鋼板（T=0.1〜0.5ｍｍ程度）を重ねあわせて構成される。一方、固定子鉄芯２２は、通常用いられる回転子同様の薄い電磁鋼板２３と、ダンパー部材としてもちいる厚い電磁鋼板２４の組み合わせから構成される。
【０１１８】
（実施の形態３）
図８は本発明の第３の実施例を示すものである。高い周波数になると渦電流が表皮効果により部材の表面近傍にしか流れないことを利用したもので、固定側電磁石のダンパーとして機能する部分の径方向の厚みを極力薄くして、それ以外の部分には従来同様の薄く、導伝率の低い電磁鋼板で構成したものである。
【０１１９】
３０は主軸３１に装着されたラジアル軸受のロータ部である回転子鉄芯、３２はスピンドルの固定側に締結されるステータ部である固定子鉄芯である。この固定子鉄芯３２は断面T字形のダンパー用電極部材３３と、従来通りの板厚の薄い電磁鋼板である軸受用電極部材３４から構成される。
【０１２０】
固定子鉄芯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３５ａ〜３５ｄと４つのS極３６ａ〜３６ｄで構成され、異極同士が円周方向で交互に配置された構成となっている。１つの磁極３５ａに着目すると、３７，３８は巻き線の収納部、３９，４０は異極同士（ＮとＳ）の磁極間の間隙部であるスロット部である。３７〜４０は他の磁極にも同様に形成されている。
上記構成により、
▲１▼固定子鉄芯３２に渦電流による発熱があったとしても、発熱個所はダンパー用電極部材３３のみに限定される。
【０１２１】
▲２▼第１、第2の実施例と比べて、固定側電磁石の磁気特性の劣化を極力小さく押さえられる。電磁石とロータの間で形成される閉ループ磁気回路（N極→回転子３０→S極→N極）の特性に与える影響を充分小さくできる。
【０１２２】
▲３▼ダンピング効果の大きさは、ダンパー部材３３の軸方向の幅：Tdを変えることによって任意に設定できる。
【０１２３】
▲４▼抑制するビビリ振動の周波数：ｆの最小値によって、ダンパー部材３３の径方向の厚み：Tfを決める。高い周波数では、表皮効果により磁束は部材の内面に深く入らないため、実施例ではTf＝5mmに設定した。
【０１２４】
図９は前記ダンパー部材の回転子に面する内面に、抵抗率の小さな導体の皮膜をたとえば溶射などの工法を用いて形成した場合を示す。１００は主軸１０１に装着されたラジアル軸受のロータ部である回転子鉄芯、１０２はスピンドルの固定側に締結されるステータ部である固定子鉄芯である。この固定子鉄芯１０２は、回転子１００に面する内面に銅またはアルミなどの導体皮膜１０３が形成されたダンパー用電極部材１０４と、軸受用電極部材１０５から構成される。ちなみに銅の抵抗率は、ρ＝1.55×１０-8Ωｍ、アルミはρ＝2.50×１０-8Ωｍであり、１０-7台の珪素鋼板と比べて充分に大きい。そのため渦電流が流れ易く、一層のダンパー効果を得ることができる。この導体皮膜を電極の内面に形成する方法は上記第３以外の実施例にも適用できる。
【０１２５】
（実施の形態４）
図１０は本発明の第４の実施例を示すもので、ダンパー部材を冷却する放熱シートを磁気軸受の固定子側に設けたものである。この実施例は、たとえば電磁石に供給する電流の高周波の変動成分が大きく、ダンパー部材の発熱が無視できない場合の冷却方法の一例を示すものである。
【０１２６】
４０は主軸４１に装着されたラジアル軸受のロータ部である回転子鉄芯、４２はスピンドルの固定側に締結されるステータ部である固定子鉄芯である。このステータ部４２は従来通りの板厚の薄い電磁鋼板４３と固定子鉄芯の側面に装着されたダンパー部材４４とこのダンパー部材４３の発熱を放熱する放熱シート４５から構成される。４６、４７はスピンドルのハウジングである。ダンパー部材４４は断面形状がL字形をしており、このダンパー部材４４と薄い電磁鋼板４３の間に放熱シート４５を密着させた状態で挟み、ハウジング４６，４７側へ放熱する。そのため本実施例では、
▲１▼放熱シート４５の厚みが薄いために、ラジアル軸受の軸方向長さはほとんど変えなくてよい。
【０１２７】
▲２▼ハウジング側４６，４７の冷却（水冷も可）は容易であり、また放熱シートによる伝熱面積は充分大きくとれる。
【０１２８】
放熱シートとしては、単結晶ライフのグラファイトである公知の「パナソニックグラファイト」を採用した。同材料は、固相―固相法のプロセスで製造されたもので、シート形状の製作が容易であり、熱伝導性が銅の数倍もすぐれているものである。
【０１２９】
さて、以上の実施例はすべて本発明を磁気軸受に適用したものであった。しかし磁気回路の構成が磁気軸受と類似しているモータにも本発明を適用できる。
【０１３０】
（実施の形態５）
図１１は本発明の第5の実施例を示すもので、振動抑制効果を得るためのダンパー部材をラジアル磁気軸受同様にモータに装着した例を示す。
【０１３１】
５１はスピンドルの主軸、５２はモータロータ、５３はモータステータである。５４と５５はフロント側ラジアル軸受（第一のラジアル軸受）のロータとステータ、５６と５７はリア側ラジアル軸受（第二のラジアル軸受）のロータとステータである。５８と５９はスラスト軸受のロータとステータである。６０，６１はフロント側とリア側のラジアル変位センサー、６２はスラスト変位センサー、６３，６４は保護ベアリング、６５はフロントプレート、６６はフロントケース、６７はリアーケース、６８はリアープレートである。
【０１３２】
主軸５１は、フロント側ラジアル軸受のロータ５４が装着されたフロント部６９、モータロータ５２が装着されたモータ部７０、リア側ラジアル軸受のロータ６が装着されたリアー部７１から構成される。
【０１３３】
７２はフロント側ラジアル軸受のステータ５５に装着されたフロント側ダンパー部材、７３はモータステータ５３に装着された中央部ダンパー部材、７４はリアー側ラジアル軸受のステータ５７に装着されたリアー側ダンパー部材である。モータも磁気軸受同様に回転側、固定側とも薄く導伝率の低い電磁鋼板から構成される場合が多いが、磁気回路の構成が磁気軸受と良く似ているために、第１〜第４の実施例で説明した構成を同様に施せば、振動抑制効果を得ることができる。本実施例では、薄い珪素鋼板とダンパー部材の組み合わせたステータの構成を採用している。
【０１３４】
また図１１の例のごとく、フロント側とリアー側に加えて中央部のモータにもダンパー効果を施せば、両サイドの軸受を節とする振動も抑制することができる。
【０１３５】
（実施の形態６）
図１２は本発明の第６の実施例を示すもので、振動を抑制するダンピング作用の大きさを外部から任意に調節できるようにした例を示す。この実施例では、磁気軸受の固定子側を軸受用固定子とダンパー用固定子の２つで構成し、このダンパー用固定子に軸受用主巻線とは別の副巻線を施すことにより、ダンパー用固定子に与えられる磁束密度を任意に調節できるようにしたものである。
【０１３６】
８０は主軸８１に装着されたラジアル軸受のロータ部である回転子鉄芯、８２はスピンドルの固定側に締結されるステータ部である固定子鉄芯である。このステータ部８２は従来通りの板厚の薄く導伝率の小さい電磁鋼板から構成される軸受用固定子８３と、この軸受用固定子よりも外径が大きく、かつ板厚の厚いあるいは導伝率の高い電磁鋼板から構成されるダンパー用固定子８４から構成される。８５は前記２つの固定子８３、８４の両方にまたがって巻かれた主巻線、８６はダンパー用固定子８４だけに巻かれた副巻線である。
【０１３７】
▲１▼主巻線８５に流す電流をIB、副巻線８６に流す電流をID＝±αIBとする。
▲２▼したがって、軸受用固定子８３によって発生する磁束密度をBとすれば、ダンパー用固定子８４によって発生する磁束密度BDは、２つの巻線８５，８６に流す電流で決まるため、BD＝B±αBなる。この場合、２つの巻線８５，８６の電流供給源（ドライバー）は共通でよい。
【０１３８】
▲３▼αをダンピングパラメータとすれば、αを０から１の範囲で変えることにより、磁束密度BD（すなわち振動減衰効果）を０から２倍の範囲で調節できる。
【０１３９】
したがって、本発明により加工対象（金型材、アルミetc．）と加工条件（回転数、切り込み量、送り速度etc．）に合わせて、ビビリ振動を抑制する最も適切なダンピング特性を選ぶことができる。このビビリ振動を磁気軸受が内蔵する変位センサーあるいは力センサー（電磁石の電流値から演算）からの情報をもとに上記αを制御すれば、スピンドルのどのような使用条件下でも、ビビリ振動を最適なダンピング特性で自動的に制御できる「オートダンピング・コントロール」が実現可能となる。
【０１４０】
また能動制御型の磁気軸受の場合は、磁気軸受のバイアス電流を変えることにより軸受の剛性も変えることができるために、図５の例に示す減衰と剛性比（Cω／Kｍ）も任意に変えることができる。
【０１４１】
高速スピンドルの場合、主軸の固有振動数を上げるために、限界に近いところまで主軸の軸長を短縮化する必要があるが、実施例の構成にすればラジアル軸受の軸方向の長さ［図(イ)の寸法L］が変らないために、主軸の全長を変えないで、ダンピング特性のコントロールが可能である。またラジアル軸受の基本性能（剛性、負荷能力）も、α＝０の場合BD＝Bであるため従来と変らない。固定側の外径は大きくなるが、ハウジング外径が大きくなっても、スピンドルの性能・信頼性にはなんら影響を与えない。
【０１４２】
上記発明は磁気軸受に適用した例であるが、第５の実施例で示したように、モータに適用してもよい。この場合、主巻線部はモータの回転のために、また副巻線部はダンパー効果の大きさの調節のために用いればよい。
【０１４３】
また電磁鋼板は通常絶縁皮膜が形成されており、本発明の実施例の説明の中で電磁鋼板の厚みとは、積層された場合は皮膜間の間隔を示す。したがってダンパー用電極部材は、絶縁皮膜の無い薄い電磁鋼板を重ねあわせ厚くして用いてもよい。
【０１４４】
以上、高速切削用のスピンドルを例にあげて説明したが、加工用スピンドルに限らず回転体を安定に支持するためには、軸受の剛性に対してバランスのとれた適切な減衰性能が要求される場合が多い。元来、ダンパーを別途設けることでしかカバーできなかったダンピング効果が、回転数の上限値に影響を与えるスピンドルの軸方向寸法を大きく変えることなく、高周波領域で得られる本発明の効果は極めて大きい。
【０１４５】
【発明の効果】
本発明は、磁気軸受スピンドルを高速回転させることによってクローズアップされた現象：渦電流損を利用したものである。すなわち、渦電流損失が次のような「諸刃の剣」であることに着目し、
▲１▼マイナス面 …主軸に発熱をもたらし、基本性能（振れ精度）と信頼性に多大な悪影響を与える。
【０１４６】
▲２▼プラス面 … ダンピング特性向上と振動抑制の効果（ただし磁気軸受ではまだ活用されていない）
上記マイナス面を押さえ、まだ活用されていないプラス面を効果的に引き出すことにより、磁気軸受の弱点であった高速時のダンピング特性の不足を根本的に改善することができる。また本発明を適用した磁気軸受は、従来の磁気軸受電磁石とスピンドルの構成（主軸の軸長）と基本性能（DN値）を大きく変えることなく、加工時のビビリ振動を抑制することができる。
【０１４７】
すなわち本発明により、従来磁気軸受スピンドルの加工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・高品位加工の要請に応えることができる。また本発明は磁気回路がよく似ているモータにも適用でき、その実用的価値は極めて大きい。
【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ラジアル磁気軸受の電磁石の原理図
【図２】渦電流ダンパーの解析モデルを示す図
【図３】減衰定数と電磁鋼板の板厚の関係を示す図
【図４】渦電流損失と電磁鋼板の板厚の関係を示す図
【図５】減衰と剛性比と電磁鋼板の板厚の関係を示す図
【図６】安定・不安定領域と電磁鋼板の板厚の関係を示す図
【図７】本発明にかかる第２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
【図８】本発明にかかる第３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
【図９】上記第３の実施例のダンパーに導体皮膜を形成した図
【図１０】本発明にかかる第４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
【図１１】本発明にかかる第５の実施の形態であるダンパー付モータを搭載したスピンドルの正面断面図
【図１２】本発明にかかる第４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
【図１３】磁気軸受の剛性と周波数の関係を示す図
【図１４】従来の磁気軸受スピンドル正面断面図
【図１５】従来のラジアル磁気軸受電磁石の原理図
【符号の説明】
１  回転子
２  主軸
３  固定子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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