JPH09236123A

JPH09236123A - 磁気軸受装置

Info

Publication number: JPH09236123A
Application number: JP8042585A
Authority: JP
Inventors: Toru Nakagawa; 亨中川; Katsuhiko Asai; 勝彦浅井; Yoshihiro Ikemoto; 義寛池本; Isao Tashiro; 功田代
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1996-02-29
Filing date: 1996-02-29
Publication date: 1997-09-09
Also published as: US5924186A

Abstract

(57)【要約】【課題】負荷能力の大きい磁気軸受装置を提供し、そ
れを軸受として搭載した加工機器、真空ポンプ等の生産
機器の高性能化を図る。【解決手段】磁気軸受装置のラジアル方向電磁吸引ス
テータを構成する積層コアを極歯単位毎に分割した積層
コア片１と、積層コア片１の極歯部４に絶縁物を介して
巻回される巻線３とを備え、この巻線３を巻回した積層
コア片１を所定数組み合わせて積層コア２を形成し、こ
の積層コア片１の接合箇所を固着することにより構成す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電磁石の磁気吸引
力により、回転スピンドルを空中で軸受支持する磁気軸
受装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電磁石の磁気吸引力を利用して回転軸を
空中支持する磁気軸受装置は非接触で回転支持を行うた
め、真空中で使える、軸受損失が少ない、潤滑剤が要ら
ない、騒音が小さい、メンテナンスフリーである、など
の特徴がある。以下に、従来の磁気軸受装置について図
を用いて説明する。

【０００３】図４は従来の磁気軸受装置の軸方向の断面
図である。図において、磁気軸受装置は大きくシェル２
１と回転軸２２の２つの部材によって構成されている。
シェル２１は筒型であり、シェル２１の内周面にはモー
タステータ２３が、また回転軸２２の外周面にはモータ
ロータ２４が互いに対向するように配されており、回転
軸２２に回転力を与えている。また、シェル２１の内周
面の回転軸方向には一組の電磁吸引ステータ（以下、ラ
ジアル方向電磁吸引ステータと称す）２５ａ、２５ｂ
が、回転軸２２の外周面には電磁吸引ロータ２６ａ、２
６ｂが互いに対向するように配されており、電磁吸引力
を利用してラジアル方向の軸受を構成している。また、
回転軸２２の外周に円板状のスラスト板２７、シェル２
１の内周面にスラスト板２７をはさむように電磁吸引ス
テータ（以下、スラスト方向電磁吸引ステータと称す）
２８が配され、電磁吸引力を利用してスラスト方向の軸
受を構成している。ここで、本願発明の第１のステータ
には、ラジアル方向電磁吸引ステータが、第２のステー
タには、スラスト方向電磁吸引ステータが対応してい
る。

【０００４】具体的に説明すると電磁吸引ロータ２６
ａ、２６ｂは、回転軸２２の軸端に配され、この電磁吸
引ロータ２６ａ、２６ｂに対向するように、エアギャッ
プとなる、ある程度の空間を有してラジアル方向電磁吸
引ステータ２５ａ、２５ｂがシェル２１の内周面に配さ
れている。そして、回転軸２２のラジアル方向の軸受を
構成している。

【０００５】モータロータ２４は、回転軸２２の電磁吸
引ロータ２６ａと２６ｂとの間に配され、モータステー
タ２３はモータロータ２４とある程度の空間を有して対
向している。円板状のスラスト板２７は回転軸２２と直
交するように回転軸２２の外周面に配され、このスラス
ト板２７の両面をはさみこむように一組のスラスト方向
電磁吸引ステータ２８がシェル２１の内周面に配され、
スラスト方向の軸受を構成している。ここで、ラジアル
方向電磁吸引ステータ２５ａ、２５ｂとスラスト方向電
磁吸引ステータ２８は、シェル２１の内周面に回転軸２
２と同心状になるように配されている。

【０００６】更に、シェル２１の内側に、回転軸２２の
ラジアル方向及びスラスト方向の位置を検出する位置検
出用変位センサ２９ａ、２９ｂ、３０を備えている。ま
た、回転軸２２の先端には、切削バイト、砥石などの工
具３１が取り付けられるようになっている。尚、回転軸
２２は一般に強磁性体で構成され、モータロータ２４、
ラジアル方向電磁吸引ステータ２５ａ、２５ｂでの磁気
効率が落ちないように配慮してある。

【０００７】また、各ロータ２４、２６ａ、２６ｂには
ケイ素鋼板が用いられ、ケイ素鋼板が回転軸２２にはめ
込まれている。以上のように構成された磁気軸受装置に
ついて、以下に、その動作を説明する。モータロータ２
４で駆動力を発生し、回転軸２２が回転する。この回転
を利用し、工具３１で、研磨、切削などの作業を行う。
その際、この回転軸２２の位置をラジアル方向、スラス
ト方向について、それぞれラジアル方向位置検出用変位
センサ２９ａ、２９ｂ、スラスト方向位置検出用変位セ
ンサ３０で検出する。

【０００８】この検出データを基に、図５で示すフィー
ドバック制御によりラジアル方向電磁吸引ステータ２５
ａ、２５ｂ、スラスト方向電磁吸引ステータ２８におい
て電磁吸引力を制御し、回転軸２２がシェル２１の内面
に接触しないように同じ位置で回転を保持している。通
常は回転軸の軸芯を回転の中心軸にあわせている。ここ
で、モータロータ２４の駆動力はモータステータ２３に
巻回された巻線（図示せず）に通電制御することにより
行う。

【０００９】図５は磁気軸受装置の回転軸の位置制御ブ
ロック図であり、以下に磁気軸受装置の回転軸の位置制
御について述べる。制御対象１０である磁気軸受装置の
センサ回路１１（図３においては各センサ２９ａ、２９
ｂ、３０）からの位置データの出力信号をノッチフィル
タ回路１２により、回転軸の前廻り後廻りの固有振動数
範囲で減衰させ、偏差回路１３にフィードバックする。
偏差回路１３は回転軸の位置基準信号とノッチフィルタ
回路１２の出力信号の差を演算し、その偏差信号を位相
補償回路１４に出力し、ＰＩＤ等（比例、積分、微分）
の位相補償を施す。パワー増幅回路１５は、位相補償回
路１４の出力信号をもとに、制御対象１０の磁気軸受装
置のラジアル方向電磁吸引ステータの巻線に電流を供給
する。この電流供給を制御することにより、ラジアル方
向電磁吸引ステータに生じる電磁吸引力を制御し、回転
軸の位置を制御する。

【００１０】次に従来の磁気軸受装置を構成するラジア
ル方向電磁吸引ステータについて説明する。図６は、従
来の磁気軸受装置を構成するラジアル方向電磁吸引ステ
ータを示したものである。従来のラジアル方向電磁吸引
ステータは、鋼板から図に示す磁極となる複数の極歯１
６を有するステータコア１７を打ち抜き、このステータ
コア１７を積層し、この積層したステータコア（以後、
積層コアと称す）の極歯１６に巻線（図示せず）を巻回
していた。そして、この巻線に通電することにより、電
磁力（電磁吸引力）を発生し、回転軸を非接触状態で支
持する。尚、図のステータコア１７の外周面に設けた凹
部１８は積層コアを溶接等により固着するために設けた
ものであり、積層コアを積層方向に溶着してある。

【００１１】今回は磁気軸受装置について、研削バイト
等の工具を備えた回転スピンドルに関して説明したが、
これに限らず真空ポンプの軸受等にも用いられるもので
あり、回転体を軸支するものに適用できることは言うま
でもない。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかし、最近の技術革
新の中、生産設備における高精度、短時間での加工、高
精度、高負荷での加工、精度の良い高速加工が望まれて
いる。特に加工機器においては、加工時間の短縮、工具
が高負荷を受ける高負荷での使用が望まれている。

【００１３】また、真空ポンプにおいては高負荷での使
用における高速真空化が望まれている。更に、上記機器
の小型化の要望があるのも実情である。このような要望
に対して、磁気軸受装置の高精度化、負荷能力の向上が
望まれている。

【００１４】これに対して、従来の磁気軸受装置では以
下の課題があった。まず、磁気軸受装置を構成するラジ
アル方向電磁吸引ステータが、図６に示すように複数の
極歯を有する一体もののステータコア１７を積層した構
造であるために、この積層コアの極歯に巻回される巻線
の巻線密度には限界があり、高密度には巻回できなかっ
た。実際の、巻線空間に占める線材の占積率（以下、導
体占積率と称す）は３０〜４０％であった。

【００１５】このために、積層コアの巻線に通電するこ
とにより生じる電磁力（電磁吸引力）にも限界があり、
この限界を超えると、回転軸がブレたり、回転軸が傾い
たりして磁気軸受装置として負荷の大きい高負荷使用に
おいては限界があった。このために高負荷の加工等が困
難であった。そして、より高負荷の使用を実現しようと
すれば、電磁吸引力を大きくするために積層コアを大き
くしなければならず、磁気軸受装置の大型化、ひいては
加工機器等の大型化となり、結果として生産設備の大型
化、高価格化を生じ、生産性も良くない。

【００１６】次に、回転軸が長いと回転軸の固有振動数
が大きくなり、回転軸にビビリが発生し、精度良く回転
軸が回転できなかった。特に加工機器においては高速回
転で、精度良く加工することは困難であった。更に、ラ
ジアル方向電磁吸引ステータが、鋼板から図６に示すよ
うに複数の極歯を有する一体もののステータコア１７を
打ち抜いて積層する構造であるために、鋼板から一枚の
ステータコア１７を打ち抜くプレス機、及び金型に大き
なものが必要となり、製造設備の大型化を招くことにも
なる。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、筒型のシェルと、前記シェルの中心軸と
軸心が一致する回転軸と、前記シェルの内周面及び前記
回転軸の外周面において回転力を発生するよう、互いに
対向するように配されたモータステータ及びモータロー
タと、前記シェルの内周面及び前記回転軸の外周面に互
いに対向するよう配され、電磁吸引力によりラジアル方
向の軸受を構成する第一のステータ及びロータと、前記
シェルの内周面及び前記回転軸の外周面に配され電磁吸
引力によりスラスト方向の軸受を構成する一対の第２の
ステータ及びスラスト板と、前記回転軸のラジアル方向
及びスラスト方向の位置を検出するよう前記シェルの内
周面に配されたセンサとを備え、前記第一のステータ
は、極歯単位毎に分割した積層コア片と、前記積層コア
片の極歯部に絶縁物を介して巻回される巻線とを備え、
前記巻線を巻回した積層コア片を所定数組み合わせて積
層コアを形成し、前記積層コア片の接合箇所を固着する
磁気軸受装置を用いるものである。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１記載の発明は、
磁気軸受装置の第一のステータであるラジアル方向電磁
吸引ステータを構成する積層コアを、極歯単位毎に分割
した積層コア片と、前記積層コア片の極歯部に絶縁物を
介して巻回される巻線とを備え、前記巻線を巻回した積
層コア片を所定数組み合わせて積層コアを形成し、前記
積層コア片の接合箇所を固着することにより構成したも
のであり、極歯単位毎に積層コアを分割したことによ
り、従来の一体ものの積層コアのように巻線を巻回する
空間に、隣接する極歯による制限がなく、開放された空
間で巻線を最大限巻回できるので、導体占積率の高い積
層コアが得られる。

【００１９】加えて、極歯単位毎に積層コアを分割した
ことにより、極歯に対する整列巻線が容易にでき、高密
度の巻線が可能となる。実際には導体占積率６０〜７０
％を達成できる。また、高密度の巻線ができる結果、巻
線が積層コアの両側面からはみでる量が減り、省スペー
ス化が可能となる。

【００２０】本発明の請求項２記載の発明は、請求項１
記載の積層コアについて、巻線の外径を極歯部の根元が
大きく先端にかけて小さくなる構成にし、極歯部の先端
近傍にラジアル用位置検出用変位センサを備えたもので
あり、より省スペース化が図れる。以下に本発明の実施
の形態について説明する。

【００２１】（第一の実施の形態）本発明の磁気軸受装
置は、従来の磁気軸受装置におけるラジアル方向電磁吸
引ステータを除いて、基本的な構成は同一であり、その
説明を省略する。図１は本発明の第一の実施の形態にお
けるラジアル方向電磁吸引ステータを構成する積層コア
の平面及び断面図である。図において積層コア片１は、
巻線３が巻回され磁極をなす極歯部４と磁路をなす継鉄
部５からなる。ここで積層コア片１は、鋼板から図に示
すＴ字形の積層コア片形状の平板をプレスにより打ち抜
いたものを積層して積層コア片１を形成し、積層コア片
１の外周面１ｂ及び、極歯からなる内周面１ａを積層方
向に固着するものである。

【００２２】そして、この積層コア片１の極歯部４に絶
縁物６を介して巻線３を巻回した後、この積層コア片１
を所定数組み合わせて積層コア２を形成し、積層コア片
１の接合箇所７を固着して積層コア２を完成する。本実
施の形態では積層方向にレーザ溶接した。この時、レー
ザ溶接を施す積層コアの接合箇所に凹部を設けて溶接す
ると溶接時のビードが積層コア表面に出てこない。

【００２３】このような積層コアの製造工程の一例を図
２を用いて詳しく説明する。図２は、積層コアの製造工
程を示す工程図である。図に示すように積層コアの製造
は、鋼板から積層コア片形状の板をプレス装置により打
ち抜き、積層固着して積層コア片１を製造するコア供給
工程（工程１）と、前記積層コア片１の極歯部４に絶縁
物であるインシュレータ６を設けるインシュレータ組立
工程（工程２）と、このインシュレータ６を介して積層
コア片１に巻線処理を施す巻線工程（工程３）と、この
積層コア片１を積層コア２を形成するように予め組み立
て、積層コア片１の接合箇所をレーザ溶接により固着す
るレーザ固着工程（工程４）とからなる。ここでインシ
ュレータ６は絶縁紙である。尚、工程２における８は、
巻線の端部を接続する電気端子である。

【００２４】図３は、積層コア片の巻線の状態を説明す
る部分断面図である。図３（ａ）は、積層コア片の平面
断面図、図３（ｂ）は、積層コア片の側面断面図であ
り、図３（ａ）はインシュレータ６の図示を省略してあ
る。図に示すように巻線３を積層コア片１の極歯部４に
整列状に巻回できる。実際には、巻線の外径が極歯部４
の根元４ａが大きく、先端４ｂが小さくなるように根元
から先端にかけて傾斜するピラミッド形状の巻線形状に
なっている。

【００２５】このように本実施の形態によれば、極歯単
位毎に積層コアを分割して、積層コア片１を形成するの
で、開放された空間で巻線を最大限巻回でき、導体占積
率の高い積層コアが得られる。加えて、この積層コア片
１の極歯単位毎に高密度な整列状の巻線３を施すことに
より、導体占積率６０〜７０％という整列巻線の理論限
界値である導体占積率を実現できる。

【００２６】このために、ラジアル方向電磁吸引ステー
タに生じる電磁吸引力を増加させることができ、負荷能
力の大きい磁気軸受装置が提供できる。そして、この磁
気軸受装置を加工機器に用いることにより、より早い加
工送りができる、あるいは加工の取代を大きくとれるこ
とにより、より短時間での加工ができる。また、この磁
気軸受装置を真空ポンプに用いることにより、短時間で
の真空化が可能となる。

【００２７】また、従来品と同一負荷能力の磁気軸受装
置を提供する場合には、磁気軸受装置の小型化が可能と
なる。この小型化には、積層コアの径方向の小型化、積
層方向の小型化がある。また、積層コア２の極歯の両側
面４ｃ、４ｄから巻線３がはみ出す量も軽減できるの
で、極歯部間の空間に余裕ができ、磁気軸受装置の径方
向の小型化が図れる。一方、巻線のはみ出す量が軽減で
きることは、極歯部４の幅を大きくすることもでき、こ
れに伴い磁路も大きくできるのでラジアル方向電磁吸引
ステータの電磁吸引力を増加させることができ、上記し
た負荷能力の大きい磁気軸受装置が得られる。

【００２８】また、負荷能力の向上による積層方向の小
型化、巻線３の回転軸方向のはみ出し量の軽減による積
層方向の小型化が行えることにより、回転軸方向の小型
化が実現できる。このために回転軸が短くなり、回転軸
の固有振動数が大きくなり、回転軸のビビリが低減でき
る。特に高速回転で精度良く回転することが可能とな
る。この結果、この磁気軸受装置を加工機器に用いた場
合には、精度良い高速回転での加工が行える。

【００２９】更に、極歯単位毎に積層コアを分割したこ
とにより、積層コアを製造する場合、この分割した積層
コア片をプレス加工により打ち出して製造できるので、
プレス設備、及び金型の小型化が可能となり、生産性を
著しく向上することができる。（第二の実施の形態）本発明の第二の実施の形態は、図
３（ｂ）に示すように第一の実施の形態における積層コ
アの極歯部上下面の先端近傍にラジアル方向位置検出用
のセンサを配設することにより、巻線３の巻回空間にラ
ジアル方向位置検出用センサを配することができ、更な
る磁気軸受装置の軸方向の小型化が可能となる。

【００３０】

【発明の効果】以上のように本発明は、積層コアを極歯
単位毎に分割した積層コア片と、前記積層コア片の極歯
部に絶縁物を介して巻回される巻線とを備え、前記巻線
を巻回した積層コア片を所定数組み合わせて積層コアを
形成し、前記積層コア片の接合箇所を固着することによ
り磁気軸受装置のラジアル方向電磁吸引ステータを構成
するものであり、極歯単位毎に積層コアを分割したこと
により、従来の一体ものの積層コアのように巻線を巻回
する空間に、隣接する極歯による制限がなく、開放され
た空間で巻線を最大限巻回できるので、導体占積率の高
い積層コアが得られる。また、極歯単位毎に積層コアを
分割したことにより、極歯部に対する整列巻線が容易に
でき、高密度の巻線が可能となる。また、極歯部の両側
面からの巻線のはみ出し量が軽減できるので、極歯部の
幅を大きくでき、磁路が大きくなる。

【００３１】このために、負荷能力の大きい磁気軸受装
置を提供でき、この磁気軸受装置を加工機器に用いた場
合には、より短時間での加工ができる。また、この磁気
軸受装置を真空ポンプに用いることにより、短時間での
真空化が可能となる。また、回転軸を短くできることに
より、回転軸の振動（ビビリ）を低減でき、高速回転で
の精度良い加工が実現できる。

【００３２】更に、極歯単位毎に積層コアを分割したこ
とにより、積層コアを製造する場合、この分割した積層
コア片をプレス加工により打ち出して製造できるので、
プレス設備、及び金型の小型化が可能となり、生産性を
著しく向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態におけるラジアル方向電
磁吸引ステータの平面及び断面図

【図２】同実施の形態におけるラジアル方向電磁吸引ス
テータの製造工程図

【図３】同実施の形態における積層コア片の巻線状態を
説明する部分断面図

【図４】磁気軸受装置の軸方向の断面図

【図５】磁気軸受装置の制御ブロック図

【図６】従来のラジアル方向電磁吸引ステータの平面図

【符号の説明】

１積層コア片２積層コア３巻線４極歯部５継鉄部６絶縁物

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者田代功大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】筒型のシェルと、前記シェルの中心軸と軸
心が一致する回転軸と、前記シェルの内周面及び前記回転軸の外周面において回
転力を発生するよう、互いに対向するように配されたモ
ータステータ及びモータロータと、前記シェルの内周面
及び前記回転軸の外周面に互いに対向するよう配され、
電磁吸引力によりラジアル方向の軸受を構成する第一の
ステータ及びロータと、前記シェルの内周面及び前記回
転軸の外周面に配され電磁吸引力によりスラスト方向の
軸受を構成する一対の第２のステータ及びスラスト板
と、前記回転軸のラジアル方向及びスラスト方向の位置
を検出するよう前記シェルの内周面に配されたセンサと
を備え、前記第一のステータは、極歯単位毎に分割した
積層コア片と、前記積層コア片の極歯部に絶縁物を介し
て巻回される巻線とを備え、前記巻線を巻回した積層コ
ア片を所定数組み合わせて積層コアを形成し、前記積層
コア片の接合箇所を固着する磁気軸受装置。
【請求項２】積層コアの巻線の外径を、極歯部の根元が
大きく先端にかけて小さくし、極歯部上下面の先端近傍
にラジアル用位置検出用変位センサを備えた請求項１記
載の磁気軸受装置。