JPH033629A

JPH033629A - 回転装置

Info

Publication number: JPH033629A
Application number: JP1136402A
Authority: JP
Inventors: Teruo Maruyama; 照雄丸山
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1989-05-30
Filing date: 1989-05-30
Publication date: 1991-01-09
Anticipated expiration: 2015-06-26
Also published as: JP3056495B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明はモータ等の回転装置に関する。

従来の技術高速回転駆動用のモータのコンパクト化を図るために、
本出願人は先にロータとステータの間に静圧気体軸受を
形成したものを提案している。第５図により説明すると
、モータケース５１の軸心位置を回転軸５２が貫通し、
この回転軸５２の外周に磁石から成るロータ５３が嵌着
固定され、このロータ５３の外周に微小隙間をあけて対
向するようにモータケース５１内周にステータ５４が嵌
合固定されている。このステータ５４の内周面とロータ
５３の外周面は平滑に形成され、かつ両端から適当な位
置に一対の円周溝５５が形成されるとともに、これら円
周溝５５に対して絞り通路５６を介して高圧気体を供給
する気体供給通路５７が形成され、ロータ５３外周面と
ステータ５４内周面の間の微小隙間に静圧気体軸受５８
が形成されている。

以上の構成において、ロータ５３及び回転軸５２はロー
タ５３の外周の静圧気体軸受５８にて支持されて高精度
の回転が確保され、かつその静圧気体軸受５８はロータ
５３の外周に位置して軸受半径が大きいため、量産可能
な１０〜２０μｍ程度の軸受隙間を形成しても十分な剛
性と負荷能力を持ち、さらに一対の円周溝５５．５５間
の広い面積が高い圧力に維持されるので大きな負荷能力
が確保される。

一方、高速で高精度の軸受の一種として電磁石を用いて
軸心位置を能動的に制御する制御式磁気軸受が知られて
いる。この制御式磁気軸受は、非接触でかつ潤滑剤を使
用しなくてよいので、低トルク、低騒音で高速回転に適
し、また高真空中でも使用可能で潤滑剤による汚染もな
く、かつ制御により高剛性の軸受を得ることができる等
の特長を備えており、高速回転に適するとともに高剛性
であるという特長を生かして、例えばミリングマシン等
の加工機のスピンドルの軸受に適用することが提案され
ている。

このミリングマシンにおけるスピンドル駆動装置の概略
構成を説明する。第６図において、６１はスピンドルで
、その一端部にエンドミル６２が嵌着される。スピンド
ル６１はその両端部近傍が磁気軸受６３ａ、６３ｂにて
回転自在に支持されるとともに、中間部に配設されたモ
ータ６４にて駆動可能に構成されている。また、スピン
ドル６１の一端側に位置する磁気軸受６３ａとモータ６
４の間にはスラスト［気軸受６５が配設されている。６
６ａ、６６ｂは、スピンドル６１の両端部に配設された
径方向の位置を検出するセンサ、６７はスピンドル６１
の他端に設けられた軸心方向の位置を検出するセンサで
ある。６８ａ、６８ｂは磁気軸受６３ａ、６３ｂ、６５
が有効に動作しない異常時や、起動・停止時等の軸受作
用が不安定な状態のときにスピンドル６１を支持するこ
ろがり軸受である。

以上の構成において、センサ６６ａ、６６ｂ及び６７に
てスピンドル６１の径方向及び軸心方向の位置を検出し
、その偏心量に応じて磁気軸受６３ａ、６３ｂ、６５を
制御することによってスピンドル６１を高精度に所定位
置に保持することができ、このスピンドル６１をモータ
６４にて回転駆動することによってエンドミル６２によ
り高精度の加工を行うことができる。

発明が解決しようとする課題ところが、上記第５図の構成のモータにおいては、高速
で回転するロータ５３がうず電流損失によって発熱し、
その熱膨張によるロータ５３の変形量が軸受隙間に比し
て極めて大きく、変形量の許容値を越えてしまうという
問題がある。例えば、直径３０ｍ５＋のロータ５３が３
０゛Ｃ温度上昇すると、膨張量はＩＯμｍ程度となる。

また、うず電流損失は回転数の２乗に比例して増加し、
高速化を図るとロータ５３の発熱は益々大きくなるため
、ロータ５３の冷却が必須の条件となる。ところが、静
圧軸受の軸受隙間が１０μｍ程度であると、気体の粘性
抵抗により大量の冷却気体をロータ５３とステータとの
間に流すのは困難であり、従ってロータ５３の発熱を抑
えるのは困難である。

さらに、高速の加工機等に適用したときは必ずしも軸受
周辺がクリーンな環境に保たれるとは限らず、ゴミ、鯖
等が軸受隙間に入り込むとロックされてしまう恐れもあ
る。

又、上記第６図の磁気軸受を用いたスピンドルの駆動装
置では、軸受隙間を大きくとれるため、上記問題点は解
消されるが、２つのラジアル軸受６３ａ、、６３ｂとス
ラスト軸受６５にそれぞれセンサ６６ａ、６６ｂ、６７
やコントローラを必要とするため、コスト高になるとい
う問題があり、さらに上記各軸受６６ａ、６６ｂ、６７
の配置スペースが必要であり、装置がコストアップかつ
大型化するという問題もある。

尚、高速回転用の気体軸受として超音速気体流を用いた
三重らの考案による超音速気体軸受が、例えば「潤滑」
第３３巻、第５号、Ｐ３４５〜３４９　（１９８８年）
等において開示されている。

しかしモータのコンパクト化を図るため、上記のような
問題点の解決に適用することは想定されていない。

本発明は上記従来の問題点に鑑み、高速回転可能でかつ
コンパクトな構成の回転装置を提供することを目的とす
る。

課題を解決するための手段本発明は、上記目的を達成するために、ロータをステー
タとロータの間に介装した超音速気体軸受にて回転自在
に支持したことを特徴とする。

作　　　用本発明によると、粘性の小さい気体を軸受流体としてい
るので摩擦が小さく高速回転に対応することができ、か
つ慣性力を利用した超音速気体軸受を用いているため軸
受出口端の圧力を周囲圧力と無関係に大きくでき、その
ため軸受隙間を太きくしても十分な剛性と負荷能力が得
られる。その結果、ステータやロータに十分な軸受隙間
を形成することによって熱膨張があってもロックされる
恐れがなく、しかも軸受隙間が大きいため、大流量の気
体を流すことによって十分に冷却でき、冷却効果が大き
いことによって、うず電流損失による発熱が大きくても
熱膨張を小さくでき、高速化を図ることができる。

従って、高速回転モータのステータとロータ間に超音速
気体軸受を設けることが可能であり、その結果モータの
両側に軸受が不要となって回転装置全体のコンパクト化
を図ることができ、固有振動数も大きくとれ、危険速度
通過時のロックの恐れもない、又、軸受隙間が大きくて
良いので、ステータ及びロータの加工精度が高くなくて
も良く、かつ気体供給の管理も通常の静圧軸受に比して
も精緻でな（でも良く、コストダウンを図ることができ
る等の効果が得られる。

実施例以下、本発明の一実施例を第１図及び第２図に基づいて
説明する。

第１図において、ｌはモータケースで、内部にステータ
とロータを配置する空間２を有し、かつその軸心位置を
回転軸３が貫通している。モータケースｌの一端壁１ａ
に形成された軸受穴４に、回転軸３に外嵌固定されたス
ラスト軸受５が嵌着されている。前記空間２内において
、回転軸３の外周にサマリウムコバルト磁石を備えたロ
ータ６が固定されるとともに、このロータ６の外周に対
向して微小な軸受隙間をあけてステータコイル７ａを装
着したステータ７が配置され、モータケース１の内周に
嵌合固定されている。

ロータ６の外周面は、中央部の径が小さく両端部に向か
って漸次径が大きくなるように加工された非円筒加工面
８に形成され、このロータ６の外周面とステータ７の円
筒状の内周面との間に、中央部で流路断面積が大きく両
端部で最も流路断面積の小さい筒状の気体流路９が形成
されている。

ステータ７の内周面の中央部には、環状溝１０が形成さ
れるとともにこの環状溝１０に開口するように、ステー
タ７を径方向に貫通する複数の給気通路１１が形成され
ている。さらにモータケース１の内周面の給気通路１１
に対向する位置に環状通路１２が形成され、モータケー
スｌを貫通する通孔１３、この通孔１３に螺合された給
気プラグ１４を介して図示しない気体供給源に接続され
ている。この気体供給源は、気体流路９の両端の出口端
における流速が音速以上となるように気体を供給する能
力を有しており、気体流路９にて超音速気体軸受１５が
構成される。

なお、第１図では特徴が見易いように極端に図示してい
るが、ロータ６とステータ７の間の軸受隙間は０．１＋
＋＋ｍオーダーであり、中央部の隙間の最大部でも０．
２〜０．４ｍｓ＋程度である。

以上の構成において、ステータコイル７ａに電流を流し
て駆動すると、ロータ６及び回転軸３はロータ６外周の
超音速気体軸受１５にて非接触でそのラジアル荷重が支
持される。その際、超音速気体軸受１５を用いて気体流
路９の出口端での気体流速を音速又は超音速としている
ため、第２図に実線で示すように、気体流路９の出口端
での圧力は周囲の圧力（通常、大気圧）との間で不連続
を生ずることができ、通常の静圧気体軸受においては破
線で示すように周囲の圧力と連続するのに比して斜線で
示した面積分だけ大きい負荷容量が得られる。また、超
音速気体軸受１５は気体の慣性力を利用しているので、
粘性力を利用した従来の静圧気体軸受に比して大きな隙
間を設けても大きな剛性を確保することができる。この
ように軸受隙間を大きくできることによって、加工精度
が高くなくても高精度の回転を長期にわたって維持でき
、また気体流路９に・大量の気体が流れるため、ロータ
６においてうず電流損失による発熱が生じても効果的に
冷却でき、熱膨張を低減でき、高速モータを実現するこ
とができる。

一方、回転軸３に作用するスラスト荷重は適宜構成のス
ラスト軸受５にて支持される。なお、このスラスト軸受
にも同様の超音速気体軸受を適用してもよい。

次に、ロータ６の具体構成例を第３図により説明する。

複数の積層鉄心２１がクランプビン２２で固定されると
ともに、この積層鉄心２１の外周に永久磁石２３が外嵌
固定され、かつその外周にステンレスパイプ２４が外嵌
固定されている。このロータ６は、積層鉄心２１を複数
のクランプビン２２で固定した後、永久磁石２３とステ
ンレスバイブ２４を焼きばめし、さらにクランプビン２
２をかしめて製造される。ステンレスバイブ２４は、１
〜１．５１程度の厚さのステンレス鋼板を円筒状に成形
して溶接してパイプ状にしたものである。このステンレ
スバイブ２４と永久磁石２３と積層鉄心２１からなるロ
ータ６が回転軸３に焼きばめにて固定される。その後、
ステンレスバイブ２４の外周面に、ステータ７の内周面
との間で超音速気体軸受１５の気体流路９を形成する非
円筒加工面８が加工される。

尚、第３図の例では、気体供給源に連通する通孔１３は
モータの後端に向かって延びている。

上記実施例では、気体通路９をロータ６外周の非円筒加
工面８とステータ７内周の円筒面とて形成した例を示し
たが、逆にステータ７内周面を非円筒加工面とし、ロー
タ６外周面を円筒面としてもよく、両方とも非円筒加工
面としてもよいことは言うまでもない。

第４図は、本発明をミリングマシンにおけるスピンドル
駆動装置に適用した実施例の概略構成を説明する。３１
はスピンドルで、その一端部にエンドミル３２が嵌着さ
れる。スピンドル３１はその中間部に配設されたモータ
３３にて駆動可能に構成され、かつそのモータ３３のロ
ータ３４とステータ３５の間に超音波気体軸受３６が構
成されている。３７は、超音速気体軸受３６に気体を供
給する気体供給通路である。また、スピンドル３１の他
端部にはスラスト磁気軸受３８が配設されている。３９
は軸受作用が不安定な状態のときにスピンドル１１を支
持する保護ころがり軸受である。

この実施例では、モータ３３内に超音速気体軸受から成
るラジアル軸受を備えているので、第６図に示した従来
のスピンドル駆動装置におけるモータ両側のラジアル磁
気軸受を省略でき、格段にコンパクトな構成となってい
る。

上記実施例では、ブラシレスＤＣモータを例示したが、
トランジスタモータ、ハーメチックモータ、ＡＣモータ
、電子ガバナモータ、コアレスモータ等、任意の種類の
モータに適用できる。

さらに、上記実施例では、本発明をモータに適用した例
を示したが、高速化に対応するために用いられているモ
ータと同様の構成の磁気軸受にも適用することができ、
その場合軸受の負荷能力を補強することができる。

発明の効果本発明の回転装置によれば、以上のように粘性の小さい
気体を軸受流体としているので摩擦が小さく高速回転に
対応することができ、かつ気体流の慣性力を利用した超
音速気体軸受を用いているため軸受出口端の圧力を周囲
圧力と無関係に大きくでき、そのため軸受隙間を大きく
しても十分な剛性と負荷能力が得られる。その結果、軸
受隙間を大きくすることによってステータやロータに熱
膨張があってもロックされる恐れがなく、しかも軸受隙
間が大きいため、大流量の気体を流すことによって十分
に冷却でき、冷却効果が大きいことにより、うず電流損
失による発熱が大きくても熱膨張を小さくでき、高速化
を図ることができる。

従って、高速回転モータのステータとロータ間に超音速
気体軸受を設けることが可能であり、その結果モータの
両側に軸受が不要となって回転装置全体のコンパクト化
を図ることができる。また回転軸固有振動数が太き（と
れるため、危険速度通過時のロックの恐れもなく、加工
機の高速化が図れる。加工機の高速化によって加工精度
の向上、加工時間の短縮化が図れる。又、軸受隙間が大
きくて良いので、ステータ及びロータの加工精度が高く
なくても良く、かつ気体供給の管理も通常の静圧軸受に
比しても精緻でなくても良く、コストダウンを図ること
ができる等の効果を発揮する

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例におけるモータの構成を示す
縦断側面図、第２図は超音速気体軸受の圧力分布特性図
、第３図は同実施例の具体構成例の縦断側面図、第４図
は本発明をミリングマシンに適用した実施例の縦断正面
図、第５図は本出願人が先に提案したモータの縦断側面
図、第６図は従来のミリングマシンの縦断正面図である
。６．３４・・・・・・ロータ、７．３５・・・・・・ス
テータ、１５．３６・・・・・・超音速気体軸受。

Claims

【特許請求の範囲】

ロータを、ステータとロータの間に介装した超音速気体
軸受にて回転自在に支持したことを特徴とする回転装置
。