JP2009208195A

JP2009208195A - 主軸装置及び電動機

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Publication number: JP2009208195A
Application number: JP2008053636A
Authority: JP
Inventors: Ikuma Takahashi; 維玖馬高橋
Original assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Current assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Priority date: 2008-03-04
Filing date: 2008-03-04
Publication date: 2009-09-17
Anticipated expiration: 2028-03-04
Also published as: JP5164611B2

Abstract

【課題】高速回転領域で界磁弱め電流を低減させて消費電力を抑えるようにしたラジアルギャップ型の主軸装置及び電動機を提供する。
【解決手段】主軸装置２１は、ステータ３１が設けられた主軸ハウジング２３と、主軸ハウジング２３内に回転可能に支持され外周にロータ３３が取り付けられた主軸２７とを備え、ステータ３１とロータ３３とを主軸２７の半径方向に対向して配置しステータ３１とロータ３３との相互作用により主軸２７を回転させる。ステータ３１とロータ３３とを主軸２７の回転軸線方向に移動させるための移動機構３５をさらに設け、ステータ３１とロータ３３とを回転軸線方向に階段状又はテーパ状に形成し、移動機構３５が主軸２７の回転速度に従ってステータ３１とロータ３３とを回転軸線方向に相対移動させ、半径方向におけるステータ３１とロータ３３との間隔を変更する。電動機も同様に構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高速回転可能な電動機及びこれを使用した主軸装置に関する。

主軸装置などで使用される電動機の回転速度を上げていくと、回転速度の増加に伴って逆起電力も増加して磁気抵抗が大きくなるため、電動機の駆動電流を増加させても回転速度が増加しにくくなり、高速回転を行おうとする場合、大電流が消費されるようになる。このため、高速回転領域で運転を行う場合には、ステータとロータとの間の磁束量を減少させるために駆動電流による磁束と反対方向の磁束を発生させるようにステータに界磁弱め電流を印加して逆起電力を低下させる弱め界磁制御が行われることが一般的である。

また、アキシャルギャップ型の電動機の場合、ステータとロータとを回転軸線方向に移動させてその間の距離を変更して磁束量（すなわち磁束密度）を制御することによりトルクを調整し高速回転を可能にする場合や、ステータとロータの対向方向にロータ又はステータの何れかを二つの部位に分割し、分割された二つの部位の何れか一方の部位を他方の部位に対しロータの回転方向又は逆回転方向に移動させることで磁束量又は磁束密度を制御して高速回転を可能にする場合もある（特許文献１を参照）。

特開２００６−１９１７８２号公報

上述したように、アキシャルギャップ型の電動機の場合には、ロータとステータとを回転軸線方向に相対移動させればその間の距離を変更して磁束量又は磁束密度を調整することができる。しかしながら、ラジアルギャップ型の電動機の場合には、ロータとステータとの間の距離を変更することは一般にできないので、磁束量又は磁束密度を調整することができないという問題があった。また、界磁弱め電流を印加して界磁を弱める場合、これまで出力していたトルクを犠牲にして弱め界磁を作ることになるので同じ駆動電流に対して得られるトルクが減少するにもかかわらず、界磁を弱めるために付加的な電流を必要とするので電力消費自体が大きくなる問題があった。

本発明は前述の問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、高速回転領域で必要になる界磁弱め電流を低減させて消費電力を抑えるようにしたラジアルギャップ型の主軸装置又は電動機を提供することにある。

前述の目的を達成するため、本発明によれば、ステータが設けられた主軸ハウジングと、主軸ハウジング内に回転可能に支持され外周にロータが取り付けられた主軸とを備え、ステータとロータとを主軸の半径方向に対向して配置しステータとロータとの相互作用により主軸を回転させる主軸装置であって、前記ステータと前記ロータとを前記主軸の回転軸線方向に相対移動させる移動機構をさらに備え、前記ステータの内周面及び前記ロータの外周面をテーパ状又は階段状に形成するようにした主軸装置が提供される。

互いに対向するステータの内周面及びロータの外周面を階段状又はテーパ状に形成していれば、ラジアルギャップ型の電動機を組み込んだ主軸装置であっても、ステータとロータとを回転軸線方向に相対移動して主軸の半径方向におけるステータとロータとの間隔を変更することにより、磁束量又は磁束密度を増減させることができる。

また、本発明によれば、上記主軸装置を備えた工作機械であって、前記主軸を回転させる回転速度指令に基づいて前記移動機構を駆動させる制御装置を備えた工作機械が提供される。

また、本発明によれば、ステータが設けられたハウジングと、ハウジング内に回転可能に支持され外周にロータが取り付けられた回転軸とを備え、ステータとロータとを回転軸の半径方向に対向して配置しステータとロータとの相互作用によりハウジングに対して回転軸を回転させる電動機であって、前記ステータと前記ロータとを前記回転軸の回転軸線方向に相対移動させる移動機構をさらに備え、前記ステータの内周面及び前記ロータの外周面をテーパ状又は階段状に形成するようにした電動機が提供される。

本発明によれば、ステータの内周面及びロータの外周面を階段状又はテーパ状に形成し、ラジアルギャップ型の電動機又はそれを組み込んだ主軸装置であっても、ステータとロータとを回転軸線方向に相対移動させて主軸の半径方向におけるステータとロータとの間隔を変更することにより磁束量又は磁束密度を増減させることができるようにした。したがって、ラジアルギャップ型の電動機又はこれを組み込んだ主軸装置でも、高速回転領域での運転の際にステータとロータとの間隔を広げることにより両者の間に作用する力すなわちトルクを低下させることができ、この結果、界磁を弱めるために必要となる弱め界磁電流の量を低減させることが可能になり、環境問題に配慮した電動機又は主軸装置が実現される。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
最初に、図６及び図７を参照して、本発明の基本的構造及び動作原理を説明する。
本発明は、主軸ハウジングなどの固定部内に取り付けられた筒状のステータ（固定子）１１と、回転軸線Ｏ周りに回転可能な主軸や回転シャフトなどの回転部の外周に取り付けられた筒状のロータ（回転子）１３とを備え、このようなステータ１１とロータ１３との相互作用により固定部に対して回転部を回転させる。ステータ１１とロータ１３とは回転軸線Ｏと垂直な方向（以下、半径方向と記載する。）に予め定められた間隔をおいて対向するように配置されており、対向するステータ１１の内周面とロータ１３の外周面がともに、テーパ状（図６参照）又は階段状（図７参照）になるように形成されている。詳細には、ステータ１１はヨークにコイルを巻き回すことにより形成された電磁石であり、ロータ１３は永久磁石である。

図６（ａ）を参照すると、ステータ１１はその内周面が図中左側から右側に向かって回転軸線Ｏから離れるようにテーパ状に形成されている一方、ロータ１３はその外周面がステータ１１の内周面と相補的な形状をしており、外周面がステータ１１の内周面と半径方向に所定の間隔ｌ_１をおいて図中左側から右側に向かって回転軸線Ｏから離れるようにテーパ状に形成されている。このように形成されたステータ１１とロータ１３とを回転軸線Ｏ方向に相対移動させることにより、ステータ１１とロータ１３との半径方向の間隔を変化させ、ステータ１１とロータ１３との間に生じる磁束の量を増減させることができる。

例えば、ステータ１１に印加する駆動電流を増加させてもほとんど回転速度が増加しなくなる高速回転領域での運転の際に、図６（ａ）に示されているように間隔ｌ_１をおいて対向して配置されたステータ１１とロータ１３とをその回転軸線方向の重なり部分を減少させるように回転軸線方向に相対移動させると、図６（ｂ）に示されているように、ステータ１１とロータ１３との半径方向の間隔が広がってｌ_２になる。すると、図６（ｂ）に示されている状態のステータ１１とロータ１３との間に生じる磁束の量すなわち磁束密度は、ステータ１１に界磁弱め電流を印加しなくても図６（ａ）に示されている状態のステータ１１とロータ１３との間に生じる磁束の量よりも少なくなる。この結果、ステータ１１に生じる逆起電力が小さくなって、同じ電流でもより高い回転速度での運転が可能になる。したがって、弱め界磁制御を行う場合に、高速回転領域において必要とされる界磁弱め電流を少なくすることができる。

また、図７（ａ）を参照すると、ステータ１１はその内周面が図中左側から右側に向かって回転軸線Ｏへ近づくように階段状に形成されている一方、ロータ１３はその外周面がステータ１１の内周面と相補的な形状をしており、外周面がステータ１１の内周面と半径方向に所定の間隔ｌ_３をおいて図中左側から右側に向かって回転軸線Ｏへ近づくように階段状に形成されている。このように形成されたステータ１１とロータ１３も、図６に示されているテーパ状のステータ１１及びロータ１３と同様に、回転軸線方向に互いに対して相対移動させることにより、ステータ１１とロータ１３との半径方向の間隔を変化させ、ステータ１１とロータ１３との間に生じる磁束の量を増減させることができる。

例えば、ステータ１１に印加する駆動電流を増加させてもほとんど回転速度が増加しなくなる高速回転領域での運転の際に、図７（ａ）に示されているように間隔ｌ_３をおいて対向して配置されたステータ１１とロータ１３とをその回転軸線方向の重なり部分を減少させるように回転軸線方向に相対移動させると、図７（ｂ）に示されているように、ステータ１１とロータ１３との半径方向の間隔は広がってｌ_４になる。すると、図６の場合と同様に、図７（ｂ）に示されている状態のステータ１１とロータ１３との間に生じる磁束の量すなわち磁束密度は、ステータに界磁弱め電流を印加しなくても図７（ａ）に示されている状態のステータ１１とロータ１３との間に生じる磁束の量よりも少なくなる。この結果、ステータ１１に生じる逆起電力が小さくなって、同じ電流でもより高い回転速度での運転が可能になる。したがって、弱め界磁制御を行う場合に、高速回転領域において必要とされる界磁弱め電流を少なくすることができる。

なお、ステータ１１とロータ１３との回転軸線方向の重なり部分を減少させるとトルクが低下するが、このように重なり部分を減少させてステータ１１とロータ１３との間隔を増加させるのは大きなトルクを必要としない高速回転領域であるので、問題とならないことに留意されたい。

次に、図１を参照して、本発明の基本原理を利用した主軸装置の第１の実施の形態を説明する。
最初に、図１に示されている主軸装置２１の構成について説明する。主軸装置２１は、主軸ハウジング２３と、主軸ハウジング２３の内部に軸受２５を介して回転可能に支持されている主軸２７と、主軸装置２１の動作を制御するための制御装置２９とを備える。主軸ハウジング２３の内部にはステータ３１が取り付けられており、主軸２７の外周にはステータ３１と主軸２７の半径方向に間隔をおいて対向して配置されるロータ３３が取り付けられている。また、ロータ３３は主軸２７に固定的に取り付けられているのに対して、ステータ３１は移動機構３５によって回転軸線方向に移動できるように主軸ハウジング２３に取り付けられている。

主軸２７の前端面には工具ホルダ（図示せず）を装着するためのテーパ状の工具装着穴３７が形成されている。また、主軸装置２１の後端部には主軸２７の回転速度を検出するための回転速度検出装置３９が設けられており、制御装置２９が回転速度検出装置３９によって検出された主軸２７の回転速度に基づいて主軸装置２１の動作を制御できるようになっている。図示される実施形態では、回転速度検出装置３９として、主軸２７の後端部に取り付けられており放射状に等間隔でスリットが形成されている回転板３９ａと、主軸ハウジング２３に取り付けられており回転板３９ａに光を投光してその反射を検出する検出器３９ｂとにより構成される反射型エンコーダが使用されている。しかしながら、回転速度検出装置３９は、主軸２７の回転速度を検出できれば上記構成に限定されるものではなく、光透過型エンコーダや他のタイプの符号化装置とすることも可能である。

ロータ３３の外周面は回転軸線方向に主軸２７の先端に向かって先細になるように（すなわち回転軸線Ｏに近づくように）テーパ状に形成されている一方、ステータ３１の内周面はロータ３３の外周面と相補的な形状を有しており、回転軸線方向に主軸２７の先端に向かって先細になるように（すなわち回転軸線Ｏに近づくように）テーパ状に形成されている。なお、ステータ３１及びロータ３３のテーパ状傾斜の方向を上記と逆にすることも可能である。

主軸ハウジング２３の内周面には環状の凹部４１が形成されており、凹部４１内には、ステータ３１に連結された連結部材４３が収容されている。連結部材４３は、凹部４１の底面に沿って回転軸線方向に摺動可能な円筒状のスリーブ部４３ａと、スリーブ部４３ａの回転軸線方向両端部に設けられた延長部４３ｂとを含む。延長部４３ｂは、スリーブ部４３ａの回転軸線方向端部から半径方向内側に延びる半径方向延長部分４３ｂ−１と、半径方向延長部分４３ｂ−１の半径方向内側端部から回転軸線Ｏと平行に延び主軸ハウジング２３の内周面上を摺動するように構成された回転軸線方向延長部分４３ｂ−２とからなる。回転軸線方向延長部分４３ｂ−２の長さは、連結部材４３のスリーブ部４３ａが凹部４１内で回転軸線方向に摺動しても常にその一部が主軸ハウジング２３の内周面に接触しているように定められている。このような構成により、凹部４１において連結部材４３の回転軸線方向の少なくとも片側に、凹部４１の底面及び側面と連結部材４３の延長部４３ｂとにより閉じられた空間を形成できるようにしている。

さらに、主軸ハウジング２３には、凹部４１において連結部材４３の両側に形成される空間にそれぞれ連通する作動流体供給路４５が形成されており、これら作動流体供給路４５に、油圧ユニット４７から切換弁４９を介して作動油が供給されるようになっている。なお、本実施形態では、作動流体供給路４５に作動流体を供給するための作動流体供給装置として、油圧ユニット４７を使用しているが、空圧ユニットなどを使用することも可能である。

これら主軸ハウジング２３の凹部４１、連結部材４３、作動流体供給路４５、切換弁４９、油圧ユニット４７は、回転軸線方向にステータ３１を移動させるための移動機構３５を構成する。

次に、図１に示されている主軸装置２１の動作について説明する。回転速度が所定値以下の低速回転領域で運転する場合には、制御装置２９は、切換弁４９を切り換えて、油圧ユニット４７から作動流体供給路４５を通して凹部４１内の主軸先端側の空間に作動油を供給し、凹部４１の主軸後端側の側面に連結部材４３の延長部４３ｂを当接させてステータ３１とロータ３３とを半径方向に整列した状態にさせ、この状態でステータ３１に駆動電流を印加させる。

一方、回転速度が所定値以上の高速回転領域での運転が所望される場合には、制御装置２９は、切換弁４９を切り換えて、油圧ユニット４７から作動流体供給路４５を通して凹部４１内の主軸後端側の空間に作動油を供給し、凹部４１内で主軸先端側に向かって連結部材４３を移動させることによりロータ３３に対してステータ３１を回転軸線方向に主軸先端側へ相対移動させる。すると、ステータ３１とロータ３３との半径方向の間隔が広がってステータ３１とロータ３３との間に生じる磁束の量すなわち磁束密度が減少し、その結果、同じ駆動電流に対してステータ３１において発生する逆起電力が減少し、少ない界磁弱め電流で高速回転での運転をさせることができるようになる。

なお、ステータ３１及びロータ３３のテーパ状勾配の向きを図１に示されている実施形態と反対にした場合には、低速回転領域及び高速回転領域においてステータ３１を上記と逆向きに移動させればよい。

次に、図２を参照して、本発明による主軸装置５１の第２の実施の形態を説明する。第２の実施の形態は、ステータ５３の内周面及びロータ５５の外周面がテーパ状ではなく階段状になっている点において、第１の実施の形態と異なっている。

第２の実施の形態の主軸装置５１の主軸ハウジング２３、軸受２５、主軸２７、制御装置２９、回転速度検出装置３９は、第１の実施の形態の主軸装置の主軸ハウジング２３、軸受２５、主軸２７、制御装置２９、回転速度検出装置３９と基本的に同じであるので、第１の実施の形態と同じ参照番号を付されており、ここではその構成についての説明を省略する。

第２の実施の形態の主軸装置５１においても、主軸ハウジング２３の内部にはステータ５３が取り付けられており、主軸２７の外周にはステータ５３と主軸２７の半径方向に間隔をおいて対向して配置されるロータ５５が取り付けられている。また、ロータ５５が主軸２７に固定的に取り付けられているのに対して、ステータ５３は移動機構５７によって回転軸線方向に移動できるように主軸ハウジング２３に取り付けられている点も第１の実施の形態と同様である。

一方、第２の実施の形態のロータ５５の外周面は、第１の実施の形態と異なり、回転軸線方向に主軸２７の先端に向かって回転軸線Ｏから階段状に離れていくように形成されている。また、ステータ５３の内周面はロータ５５の外周面と相補的な形状を有しており、回転軸線方向に主軸２７の先端に向かって回転軸線Ｏから階段状に離れていくように形成されている。なお、図２に示されているステータ５３の内周面及びロータ５５の外周面の階段状の勾配を回転軸線方向に逆向きにして、ステータ５３の内周面及びロータ５５の外周面が主軸２７の先端に向かって回転軸線Ｏに階段状に近づいていくように形成することも可能である。

また、主軸ハウジング２３の内周面には環状の凹部５９が形成されており、凹部５９を覆うようにピストンスリーブ６１が配設されている。ピストンスリーブ６１は、ステータ５３に連結される連結部材として機能するものであり、凹部５９内に収容されており凹部５９の底面に沿って回転軸線方向に摺動可能なピストン部６１ａと、ピストン部６１ａに連結されており凹部５９を覆って主軸ハウジング２３の内周面上を摺動するように構成された円筒状のスリーブ部６１ｂとを含む。回転軸線方向のスリーブ部６１ｂの長さは、回転軸線方向の凹部５９の長さよりも長くピストンスリーブ６１が回転軸線方向に移動した場合でも回転軸線方向の両端部が常に主軸ハウジング２３の内周面に接触するように定められている。このような構成により、凹部５９内においてピストン部６１ａの少なくとも片側に、凹部５９の底面及び側面とピストンスリーブ６１とにより閉じられた空間を形成できるようにしている。また、回転軸線方向の凹部５９の長さはピストン部６１ａがステータ５３及びロータ５５の階段一段分の長さだけ凹部５９内において回転軸線方向に移動できるように定められている。これにより、凹部５９内においてピストンスリーブ６１のピストン部６１ａを移動させたときにステータ５３とロータ５５とが階段一段分の長さだけ回転軸線方向にずれた状態で対向できるようになる。

さらに、主軸ハウジング２３には、凹部５９においてピストンスリーブ６１のピストン部６１ａの両側に形成される空間にそれぞれ連通する作動流体供給路４５が形成されており、これら作動流体供給路４５に、油圧ユニット４７から切換弁４９及び作動流体供給路４５を介して作動流体が供給されるようになっている。これら作動流体供給路４５、油圧ユニット４７及び切換弁４９は第１の実施の形態のものと同様のものであり、同じ参照番号が付されている。作動流体供給路４５に作動流体を供給するための作動流体供給装置として、油圧ユニット４７に代えて空圧ユニットなどを使用できることはもちろんである。

これら主軸ハウジング２３の内周面の凹部５９、ピストンスリーブ６１、作動流体供給路４５、切換弁４９、油圧ユニット４７は、回転軸線方向にステータ５３を移動させるための移動機構５７を構成している。

第２の実施の形態の主軸装置の動作について、回転速度が所定値以下の低速回転領域で運転する場合には、制御装置２９が、切換弁４９を切り換えて、油圧ユニット４７から作動流体供給路４５を通して凹部４１内の主軸後端側の空間に作動油を供給し、凹部４１の主軸先端側側面にピストンスリーブ６１のピストン部６１ａを当接させてステータ５３とロータ５５とを半径方向に整列した状態にさせ、この状態でステータ５３に駆動電流を印加させる。

一方、回転速度が所定値以上の高速回転領域での運転が所望される場合には、制御装置２９は、切換弁４９を切り換えて、油圧ユニット４７から作動流体供給路４５を通して凹部４１内の主軸先端側の空間に作動油を供給し、凹部４１内で主軸後端側に向かってピストンスリーブ６１を移動させることによりロータ５５に対してステータ５３を回転軸線方向に後端側へ相対移動させる。すると、ステータ５３とロータ５５との半径方向の間隔が広がってステータ５３とロータ５５との間に生じる磁束の量すなわち磁束密度が減少する。その結果、同じ駆動電流に対してステータ５３において発生する逆起電力が減少し、少ない界磁弱め電流で高速回転をさせることができるようになる。

なお、ステータ５３及びロータ５５の階段状の勾配の向きを図２に示されている実施の形態と反対にした場合には、低速回転領域及び高速回転領域においてステータ５３を上記と逆向きに移動させればよい。

次に、図３を参照して、本発明による主軸装置７１の第３の実施の形態を説明する。第３の実施の形態は、ステータ７３が主軸ハウジング２３において主軸２７の回転軸線方向に移動するのではなくロータ７５が主軸２７の外周上を回転軸線方向に移動する点において、第１の実施の形態と異なっている。

第３の実施の形態の主軸装置７１の主軸ハウジング２３、軸受２５、主軸２７、制御装置２９、回転速度検出装置３９は、第１の実施の形態の主軸装置２１の主軸ハウジング２３、軸受２５、主軸２７、制御装置２９、回転速度検出装置３９と同じであるので、第１の実施の形態と同じ参照符号を付されており、ここではその構成についての説明を省略する。また、第３の実施の形態の主軸装置７１においても、主軸ハウジング２３の内部にはステータ７３が取り付けられており、主軸２７の外周にはステータ７３と主軸の半径方向に間隔をおいて対向して配置されるロータ７５が取り付けられている。

一方、ステータ７３が主軸ハウジング２３に固定的に取り付けられ、ロータ７５が移動機構７７によって回転軸線方向に移動できるように主軸２７に取り付けられている点で、第１の実施の形態の場合と異なっている。

また、第３の実施の形態のロータ７５の外周面は、第１の実施の形態の場合と逆に、回転軸線方向に主軸２７の後端に向かって先細になるように（すなわち回転軸線Ｏに近づくように）テーパ状に形成されている一方、ステータ７３の内周面はロータ７５の外周面と相補的な形状を有しており、回転軸線方向に主軸２７の後端に向かって先細になるように（すなわち回転軸線Ｏに近づくように）テーパ状に形成されている。なお、ステータ７３及びロータ７５のテーパ状勾配の向きを第１の実施の形態の場合と同じにすることも当然可能である。

主軸２７の外周面には環状の凹部７９が形成されており、凹部７９を覆うようにピストンスリーブ８１が配設されている。ピストンスリーブ８１は、ロータ７５に連結される連結部材として機能するものであり、凹部７９内に収容されており凹部７９の底面に沿って回転軸線方向に摺動可能なピストン部８１ａと、ピストン部８１ａに連結されており凹部７９を覆って主軸２７の外周面上を摺動するように構成された円筒状のスリーブ部８１ｂとを含む。回転軸線方向のスリーブ部８１ｂの長さは、回転軸線方向の凹部７９の長さよりも長くピストンスリーブ８１を回転軸線方向に移動させたときに回転軸線方向の両端部が常に主軸２７の外周面に接触するように定められている。このような構成により、凹部７９内においてピストン部８１ａの少なくとも片側に、凹部７９の底面及び側面とピストンスリーブ８１とにより閉じられた空間を形成できるようにしている。

さらに、主軸２７には、凹部７９においてピストンスリーブ８１のピストン部８１ａの両側に形成される空間にそれぞれ連通する作動流体供給路８３が形成されている。さらに、主軸２７の後方には、回転軸線方向に移動可能であり工具交換のときに主軸２７内のドローバー（説明の簡単化のために図示せず）を前側に押圧するアンクランプピストン（図示せず）により回転軸線方向（矢印Ａ方向）に移動して主軸２７の後端にカップラ８５を介して分離可能に連結することが可能な当接部材８７が設けられており、空圧ユニット８９から主軸２７の作動流体供給路８３に対して切換弁４９、当接部材８７、カップラ８５及び作動流体供給路８３を通して作動流体（ここでは、加圧エア）が供給されるようになっている。作動流体供給路８３に作動流体を供給するための作動流体供給装置として、空圧ユニット８９に代えて油圧ユニットなどを使用できることはもちろんである。なお、本実施の形態の切換弁４９も第１の実施の形態の切換弁４９と同様のものであり、同じ参照番号が付されている。

これら主軸２７の凹部７９、ピストンスリーブ８１、当接部材８７、作動流体供給路８３、切換弁４９、空圧ユニット８９は、回転軸線方向にロータ７５を移動させるための移動機構７７を構成している。

第３の実施の形態の主軸装置７１の動作について、工具を交換する際にドローバを前側に押圧するアンクランプピストンを利用して主軸２７の後端に当接部材８７を当接させることにより、カップラ８５を介して主軸２７の作動流体供給路８３と空圧ユニット８９とを連通させ、作動流体供給路８３に加圧エアを供給して主軸２７上でロータ７５の位置を移動させて位置決めした後、アンクランプピストンの後退により当接部材８７を主軸２７の後端から離脱させ、主軸２７を回転させる。このとき、カップラ８５の存在により主軸２７の作動流体供給路８３から加圧エアが漏出することが防止される。工具に応じて適した回転速度が定められているので、工具交換時には所望される回転速度が予め分かっており、その回転速度に従って制御装置２９が工具交換時に主軸２７上でロータ７５を移動させればよい。また、主軸２７が回転するときには当接部材８７は主軸２７の後端から離脱させられているので、空圧ユニット８９からの配管等が主軸２７の回転を妨げることもない。

回転速度が所定値以下の低速回転領域で運転する場合には、当接部材８７が主軸２７の後端に接続されている状態で、制御装置２９が、切換弁４９を切り換えて、空圧ユニット８９から当接部材８７及び作動流体供給路８３を通して凹部７９内の主軸先端側の空間に加圧エアを供給し、凹部７９の主軸後端側側面にピストンスリーブ８１のピストン部８１ａを当接させてステータ７３とロータ７５とを半径方向に整列した状態にさせ、この状態でステータ７３に駆動電流を印加させる。

一方、回転速度が所定値以上の高速回転領域での運転が所望される場合には、当接部材８７が主軸２７の後端に接続されている状態で、制御装置２９は、切換弁４９を切り換えて、空圧ユニット８９から作動流体供給路８３を通して凹部７９内の主軸後端側の空間に加圧エアを供給し、凹部７９内において主軸先端側に向かってピストンスリーブ８１を移動させることによりステータ７３に対してロータ７５を回転軸線方向に先端側へ相対移動させる。すると、ステータ７３とロータ７５との半径方向の間隔が広がってステータ７３とロータ７５との間に生じる磁束の量すなわち磁束密度が減少する。その結果、同じ駆動電流に対してステータ７３において発生する逆起電力が減少し、少ない界磁弱め電流で高速回転をさせることができるようになる。

なお、ステータ７３及びロータ７５のテーパ状勾配の向きを図３に示されている実施の形態と反対にした場合には、低速回転領域及び高速回転領域においてロータ７５を上記と逆向きに移動させればよい。

図４を参照して、本発明による主軸装置９１の第４の実施の形態を説明する。第４の実施の形態は、ステータ９３の内周面及びロータ９５の外周面がテーパ状ではなく階段状になっている点において、第３の実施の形態と異なっている。

第４の実施の形態の主軸装置９１の主軸ハウジング２３、軸受２５、主軸２７、制御装置２９、回転速度検出装置３９は、第３の実施の形態の主軸装置５１の主軸ハウジング２３、軸受２５、主軸２７、制御装置２９、回転速度検出装置３９と基本的に同じであるので、第３の実施の形態と同じ参照番号を付されており、ここではその構成についての説明を省略する。また、第４の実施の形態の移動機構７７を構成する主軸２７の凹部７９、ピストンスリーブ８１、作動流体供給路８３、カップラ８５、当接部材８７、切換弁４９、空圧ユニット８９も、第３の実施の形態の移動機構７７を構成する主軸２７の凹部７９、ピストンスリーブ８１、作動流体供給路８３、カップラ８５、当接部材８７、切換弁４９、空圧ユニット８９と同じであるので、第３の実施の形態と同じ参照番号を付されており、ここでは、その構成についての説明を省略する。

さらに、第４の実施の形態の主軸装置９１においても、第３の実施の形態と同じように、ステータ９３が主軸ハウジング２３の内部に固定的に取り付けられており、ロータ９５がステータ９３と主軸２７の半径方向に間隔をおいて対向して配置され移動機構７７によって回転軸線方向に移動できるように主軸２７の外周に取り付けられている。

一方、第４の実施の形態のロータ９５の外周面は、第３の実施の形態と異なり、回転軸線方向に主軸２７の先端に向かって回転軸線Ｏから階段状に離れていくように形成されている。また、ステータ９３の内周面はロータ９５の外周面と相補的な形状を有しており、回転軸線方向に先端に向かって回転軸線Ｏから階段状に離れていくように形成されている。なお、図４に示されているロータ９５の外周面及びステータ９３の内周面の階段状勾配の向きを回転軸線方向に逆にして、ロータ９５の外周面が主軸２７の先端に向かって回転軸線Ｏに階段状に近づき、ステータ９３の内周面が主軸２７の先端に向かって回転軸線Ｏに階段状に近づいていくように形成することも可能である。

第４の実施の形態の主軸装置９１の動作は、第３の実施の形態の主軸装置７１の動作と基本的に同じであり、工具を交換する際にドローバを前側に押圧するアンクランプピストンを利用して主軸２７の後端に当接部材８７を当接させることにより、カップラ８５を介して主軸２７の作動流体供給路８３と空圧ユニット８９とを連通させ、作動流体供給路８３に加圧エアを供給してロータ９５を移動させ位置決めした後、アンクランプピストンの後退により当接部材８７を主軸２７の後端から離脱させ、主軸２７を回転させる。

回転速度が所定値以下の低速回転領域で運転する場合には、当接部材８７が主軸２７の後端に接続されている状態で、制御装置２９が、切換弁４９を切り換えて、空圧ユニット８９から当接部材８７及び作動流体供給路８３を通して凹部７９内の主軸先端側の空間に加圧エアを供給し、凹部７９の主軸後端側の側面にピストンスリーブ８１のピストン部８１ａを当接させてステータ９３とロータ９５とを半径方向に整列した状態にさせ、この状態でステータ９３及びロータ９５に駆動電流を印加させる。

一方、回転速度が所定値以上の高速回転領域での運転が所望される場合には、当接部材８７が主軸２７の後端に接続されている状態で、制御装置２９は、切換弁４９を切り換えて、空圧ユニット８９から作動流体供給路８３を通して凹部７９内の主軸後端側の空間に加圧エアを供給し、凹部７９内において主軸先端側に向かってピストンスリーブ８１を移動させることによりステータ９３に対してロータ９５を回転軸線方向に先端側へ相対移動させる。すると、ステータ９３とロータ９５との半径方向の間隔が広がってステータ９３とロータ９５との間に生じる磁束の量すなわち磁束密度が減少する。その結果、同じ駆動電流に対してステータ９３において発生する逆起電力が減少し、少ない界磁弱め電流で高速回転をさせることができるようになる。

なお、ステータ９３及びロータ９５の階段状勾配の向きを図４に示されている実施の形態と反対にした場合には、低速回転領域及び高速回転領域においてステータ９３を上記と逆向きに移動させればよい。

図５を参照して、本発明による基本的構造を利用した電動機１０１の実施の形態を説明する。
最初に、図５に示されている電動機１０１の構成について説明する。電動機１０１は、例えば同期タイプのものであり、電動機ハウジング１０３と、電動機ハウジング１０３の内部に軸受１０５を介して回転可能に支持されている回転軸１０７と、電動機１０１の動作を制御するための制御装置１０９とを備える。電動機ハウジング１０３の内部にはステータ１１１が取り付けられており、回転軸１０７の外周にはステータ１１１と回転軸１０７の半径方向に間隔をおいて対向して配置されるロータ１１３が取り付けられている。ロータ１１３は回転軸１０７に固定的に取り付けられているのに対して、ステータ１１１は移動機構１１５によって回転軸線方向に移動できるように電動機ハウジング１０３に取り付けられている。

電動機１０１の後端部（図５中の上側の端部）には、電動機ハウジング１０３に対する回転軸１０７の回転速度を検出するための回転速度検出装置１１７が設けられており、制御装置１０９が回転速度検出装置１１７によって検出された回転軸１０７の回転速度に基づいて電動機１０１の動作を制御できるようになっている。図示される実施の形態では、回転速度検出装置１１７として、回転軸１０７の後端部に取り付けられており放射状に等間隔でスリットが形成されている回転板１１７ａと、電動機ハウジング１０３に取り付けられており回転板１１７ａに光を投光してその反射を検出する検出器１１７ｂとにより構成される反射型エンコーダが使用されている。しかしながら、回転速度検出装置１１７は、回転軸１０７の回転速度を検出できれば上記構成に限定されるものではなく、光透過型エンコーダや他のタイプの符号化装置とすることも可能である。

図２に示されている第２の実施の形態と同様に、ロータ１１３の外周面は回転軸線方向に回転軸１０７の先端（図５の下側の端部）に向かって回転軸線Ｏから階段状に離れていくように形成されている。また、ステータ１１１の内周面はロータ１１３の外周面と相補的な形状を有しており、回転軸線方向に回転軸１０７の先端に向かって回転軸線Ｏから階段状に離れていくように形成されている。なお、図５に示されているステータ１１１の内周面及びロータ１１３の外周面の階段状勾配の向きを回転軸線方向に逆にして、ステータ１１１の内周面及びロータ１１３の外周面が回転軸１０７の先端に向かって回転軸線Ｏに階段状に近づいていくように形成することも可能である。

また、電動機ハウジング１０３の内周面には環状の凹部１１９が形成されており、凹部１１９内には、ステータ１１１に連結された連結部材１２１が収容されている。連結部材１２１は、凹部１１９の底面に沿って回転軸線方向に摺動可能な円筒状のスリーブ部１２１ａと、スリーブ部１２１ａの回転軸線方向両端部に設けられた延長部１２１ｂとを含む。延長部１２１ｂは、スリーブ部１２１ａの回転軸線方向端部から半径方向内側に延びる半径方向延長部分１２１ｂ−１と、半径方向延長部分１２１ｂ−１の半径方向内側端部から回転軸線Ｏと平行に延び電動機ハウジング１０３の内周面上を摺動するように構成された回転軸線方向延長部分１２１ｂ−２とからなる。回転軸線方向延長部分１２１ｂ−２の長さは、連結部材１２１のスリーブ部１２１ａが凹部１１９内で回転軸線方向に摺動してもその一部が常に電動機ハウジング１０３の内周面に接触しているように定められている。このような構成により、凹部１１９内の連結部材１２１の回転軸線方向における少なくとも片側に、凹部１１９の底面及び側面と連結部材１２１とにより閉じられた空間を形成できるようにしている。また、回転軸線方向の凹部１１９の長さはスリーブ部１２１ａがステータ１１１及びロータ１１３の階段一段分の長さだけ凹部１１９内において回転軸線方向に移動できるように定められている。これにより、凹部１１９内で連結部材１２１のスリーブ部１２１ａを移動させたときにステータ１１１とロータ１１３とが階段一段分の長さだけ回転軸線方向にずれた状態で対向できるようになる。

さらに、電動機ハウジング１０３には、凹部１１９において連結部材１２１の両側に形成される空間にそれぞれ連通する作動流体供給路１２３が形成されており、これら作動流体供給路１２３に、油圧ユニット１２５から切換弁１２７を介して作動油が供給されるようになっている。なお、本実施の形態では、作動流体供給路１２３に作動流体を供給するための作動流体供給装置として、油圧ユニット１２５を使用しているが、空圧ユニットなどを使用することも可能である。

これら電動機ハウジング１０３の凹部１１９、連結部材１２１、作動流体供給路１２３、切換弁１２７、油圧ユニット１２５は、回転軸線方向にステータ１１１を移動させるための移動機構１１５を構成する。しかしながら、移動機構１１５は回転軸線方向にステータ１１１を移動できればよく、上記構成に限定されるものではない。例えば、移動機構１１５を第２の実施の形態の主軸装置５１のように形成することも可能である。

次に、図５に示されている電動機１０１の動作について説明する。回転速度が所定値以下の低速回転領域で運転する場合には、制御装置１０９は、切換弁１２７を切り換えて、油圧ユニット１２５から作動流体供給路１２３を通して凹部１１９内の回転軸後端側の空間に作動油を供給し、凹部１１９の回転軸先端側の側面に連結部材１２１の延長部１２１ｂを当接させてステータ１１１とロータ１１３とを半径方向に整列した状態にさせ、この状態でステータ１１１に駆動電流を印加させる。

一方、回転速度が所定値以上の高速回転領域での運転が所望される場合には、制御装置１０９は、切換弁１２７を切り換えて、油圧ユニット１２５から作動流体供給路１２３を通して凹部１１９内の回転軸先端側の空間に作動油を供給し、凹部１１９内において回転軸後端側に向かって連結部材１２１を移動させることによりロータ１１３に対してステータ１１１を回転軸線方向に後端側へ相対移動させる。すると、ステータ１１１とロータ１１３との半径方向の間隔が広がってステータ１１１とロータ１１３との間に生じる磁束の量すなわち磁束密度が減少する。その結果、同じ駆動電流に対してステータ１１１において発生する逆起電力が減少し、少ない界磁弱め電流で高速回転をさせることができるようになる。

なお、ステータ１１１及びロータ１１３の階段状勾配の向きを図５に示されている実施の形態と反対にした場合には、高速回転領域においてステータ１１１を上記と逆向きに移動させればよい。

以上、図示された実施の形態を参照して、本発明の主軸装置及び電動機の構造及び動作について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、図５に示されている実施の形態では、連結部材１２１をスリーブ部１２１ａと延長部１２１ｂとにより構成しているが、連結部材として、図２に示されている実施の形態のようなピストンスリーブを使用することも可能である。さらに、図５に示されている実施形態では、ステータ１１１が電動機ハウジング１０３に対して移動するようになっているが、図３及び図４に示される実施の形態のように、ステータ１１１を電動機ハウジング１０３に固定的に取り付け、ロータ１１３が回転軸１０７上を回転軸線方向に移動するようにすることもできる。

本発明の主軸装置の第１の実施の形態を示す断面図である。本発明の主軸装置の第２の実施の形態を示す断面図である。本発明の主軸装置の第３の実施の形態を示す断面図である。本発明の主軸装置の第４の実施の形態を示す断面図である。本発明の電動機の一実施の形態を示す断面図である。本発明の基本的構造及び動作原理を説明する線図である。本発明の基本的構造及び動作原理を説明する線図である。

符号の説明

１１ステータ
１３ロータ
２１主軸装置
２３主軸ハウジング
２７主軸
２９制御装置
３１ステータ
３３ロータ
３５移動機構
４１凹部
４３連結部材
４５作動流体供給路
４７油圧ユニット
１０１電動機
１０３電動機ハウジング
１０７回転軸
１０９制御装置
１１１ステータ
１１３ロータ
１１５移動機構
１１９凹部
１２１連結部材
１２３作動流体供給路
１２５油圧ユニット

Claims

ステータが設けられた主軸ハウジングと、主軸ハウジング内に回転可能に支持され外周にロータが取り付けられた主軸とを備え、ステータとロータとを主軸の半径方向に対向して配置しステータとロータとの相互作用により主軸を回転させる主軸装置であって、
前記ステータと前記ロータとを前記主軸の回転軸線方向に相対移動させる移動機構をさらに備え、前記ステータの内周面及び前記ロータの外周面をテーパ状又は階段状に形成することを特徴とした主軸装置。
請求項１に記載の主軸装置を備えた工作機械であって、
前記主軸を回転させる回転速度指令に基づいて前記移動機構を駆動させる制御装置を備えた工作機械。
ステータが設けられたハウジングと、ハウジング内に回転可能に支持され外周にロータが取り付けられた回転軸とを備え、ステータとロータとを回転軸の半径方向に対向して配置しステータとロータとの相互作用によりハウジングに対して回転軸を回転させる電動機であって、
前記ステータと前記ロータとを前記回転軸の回転軸線方向に相対移動させる移動機構をさらに備え、前記ステータの内周面及び前記ロータの外周面をテーパ状又は階段状に形成することを特徴とした電動機。