JP2009517994A - リニア・回転駆動装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、リニア・回転駆動装置（１）の動作中に共通な動力伝達機構（２）の回転運動と直線移動を可能とし、かつ磁気的な軸受をも行うための手段を有するリニア・回転駆動装置に関する。本発明の装置では、例えば動力伝達機構が２つの軸方向軸受によって動力伝達機構の始端および終端で支持されており、この際、軸方向の軸受はリニア駆動装置によって行なわれる。

Description

本発明は、リニア・回転駆動装置に関する。

特に工作機械の用途では、それに使用されるスピンドルが回転運動に加えて縦方向運動を実行せねばならない。この種の工具スピンドルにおけるストローク自由度に関する回転自由度の拡張のための従来の解決策は、スピンドル全体を、別個の駆動装置により、例えば玉ころがりスピンドルに基づいて軸方向に移動することにある。これは、駆動装置全体の比較的体積の大きい構造と比較的大きな重量とをもたらす。

比較的小さい軸方向の移動行程の場合、回転運動と軸方向運動とを発生させる駆動装置は公知である。これは、特に組み合わされた行程用と回転用のスピンドルで行なわれる。この駆動装置の場合に、スピンドルは、回転駆動装置の回転子としての役割を果たすと同時に、リニア駆動装置の軸方向移動部分としての役割を果たす。しかし、スピンドルが回転運動も直線運動も可能でなければならないために、それに応じた軸受は非常に費用がかかり、従って高価である。

通常の玉軸受および直線案内に基づく従来公知の軸受の概念に従えば、その実現のためには機械的に費用がかかる。

これまでに使用された流体静力学軸受も比較的大きな摩擦損失を生じさせ、しかもパッキング問題が不十分にしか解決されていない。

磁気軸受体は、例えば独国特許第２８３３８９３号明細書から公知である。

それから出発して本発明の基礎をなす課題は、リニア・回転駆動装置において、簡単に実現でき、かつ特に工作機械において発生するような高い回転数においても、十分な剛性と、揺動モーメントに対する不感性を有する軸受を提供することにある。

上記の課題は、リニア・回転駆動装置の動作中に共通な動力伝達機構の回転運動、直線運動を可能とし、かつも磁気的な軸受作用を行う手段を有するリニア・回転駆動装置によって解決される。

回転駆動装置構造も並進駆動装置構造も動力伝達機構に存在することから、これらの駆動装置は軸方向軸受作用も半径方向軸受作用も引き受ける。

他の実施形態では、動力伝達機構が２つの軸方向軸受によって動力伝達機構の始端および終端で支持されており、この場合に軸方向軸受はリニア駆動装置によって行なわれる。リニア・回転駆動装置のこの種の軸受の利点は、ほぼ摩擦をなくすることができ、それによりリニア・回転駆動装置の比較的高い効率が生じることにある。

更に、この動力伝達機構の磁気軸受によってメンテナンスフリーおよび磨耗防止が保証され、リニア・回転駆動装置全体の障害のない動作が保証される。

更に、潤滑剤からの解放によって、場合によっては使用される古典的な補助軸受を除くならば、パッキング問題が存在しない。リニア・回転駆動装置の正規動作時における磁気軸受装置の潤滑剤からの解放に基づき、これは真空用途での使用に適している。

更に、磁気軸受は、特に工作機械構造にとり極めて有利な毎分４００００回転を上回る範囲の高回転数を可能にする。更なる利点は、リニア・回転駆動装置に関連したこの軸受装置の高い安定性にある。動力伝達機構の軸受は軸方向および半径方向において行なわれる。この軸受は回転および直線運動を可能とする。更に、本発明による軸受は、動力伝達機構を包囲し又は動力伝達機構の一部として構成された駆動装置の構成部分である。

この場合、モータ又は別個の磁気軸受の一部であるセンサを有する適切な調節装置が動力伝達機構の実際値位置を検出し、更に適切な増幅器又は調節装置を介して出力量を出力し、その出力量がこの軸受装置又は駆動装置の磁石コイルを介して必要ならば所望の目標値を設定する。

センサとしては、特に角度電流センサが適している。

一方又は他方の磁気軸受の故障時に安全緊急動作が予め与えられ得る時間だけ維持されるべきなので、ころがり軸受、すべり軸受又は受動磁気軸受として、即ち永久磁石によって実現された補助軸受が設けられる。この場合、古典的な軸受装置として構成されている補助軸受は駆動装置の外側にある。受動的な磁気軸受は駆動装置の外側又は内側にあり、従って駆動装置の一部分をなす

動力伝達機構自体は、単一のもの、又は順次組み立てられた多数のモジュールから構成されている。他の実施形態では、動力伝達機構又は動力伝達機構の少なくとも１つのモジュールが、場合によって冷却、位置検出等のための手段を含む中空軸として構成される。

動力伝達機構上又は機構内に、各駆動装置、即ち回転モータ又はリニアモータの固定子と電磁的に相互作用をする他の手段が設けられている。これは、有利なやり方では、動力伝達機構のそれ相応に構成された要素、例えばラック形状である。

他の有利な形態においては永久磁石が動力伝達機構上に配置されているか、又は動力伝達機構の軸方向に走るポケット内に配置されていて、永久磁石の磁場が固定子によって発生させられる交流磁場と電磁的に相互作用をして、それにより軸受機能の他に回転運動又は直線移動を発生する。

動力伝達機構上への永久磁石の特別な配置、例えばＶ字形に配置されている斜めに走る磁石部分を有する配置は、軸力および揺動モーメントを低減できるので、磁気軸受に対する要求をそれ相応に低減できる。

以下の概略的に示す実施例において、本発明ならびに従属請求項による本発明の有利な形態を更に詳細に説明する。

図１は動力伝達機構２を有するリニア・回転駆動装置１を示し、動力伝達機構２はそれの軸方向の延長部分に例えばドリル３を工具として有する。ドリル３は回転駆動装置４によって回転させられ、かつリニア駆動装置７によって軸方向に移動させられる。更に、動力伝達機構２は、この実施例では原理的に示す磁気軸受１０と１１により半径方向に支持されている。軸方向の支持および／又は位置決めはリニア駆動装置７が引き受ける。回転駆動装置４は原理的に固定子５と回転子６により構成されていて、回転子６は動力伝達機構２の一部である。回転子６は、円周方向に分布して配置された、例えば永久磁石１３を有している。この場合、永久磁石１３は表面に配置され、又は内部に埋め込まれ得る

リニア駆動装置７は、同様に固定子８と、移動子９としての動力伝達機構２の一部とを有する。動力伝達機構２はこの範囲に同様に永久磁石１２を有する。永久磁石１２、１３の特別な配置により、トルク脈動、揺動モーメントおよび軸力を低減できるので、磁気軸受１０、１１には半径方向保持機能があるだけである。

動力伝達機構２は、部分毎に、各部分、例えば回転子６、移動子９が、それぞれに電磁的に対応する固定側部分、例えば固定子５および固定子８と共に電磁的に相互作用をするように構成されている。このことは明示的に説明していない磁気軸受１０、１１にも当てはまる。

図２は他の実施形態でリニアモータ７を示し、該モータ７は２つの回転駆動装置４の間に配置されている。その結果、図１による磁気軸受１０と１１はもはや不要である。なぜならば、回転駆動装置４によって半径方向軸受機能が達せられるからである。リニア駆動装置７は並進運動を発生させ、軸方向軸受機能を引き受ける。

図３による他の実施形態では、それぞれ動力伝達機構２に関して、同様に別個の磁気軸受１０、１１を設ける必要のないように、２つの駆動装置１５しか存在しない。この場合に、磁気軸受機能は駆動装置１５自体が引き受ける。駆動装置１５は、各々回転駆動装置、半径方向軸受および並進駆動装置および軸方向軸受として設けられている。この場合、各駆動装置は個別に回転駆動装置および並進駆動装置の組み合わせをなす。動力伝達機構２の各部分は、これらの特別な駆動装置１５に合わせられるべきである。

図４は、原理図に図３に合わせて表示された実施形態の駆動装置１５を示す。動力伝達機構２は成層鉄心１６を持っていて、成層鉄心上又は成層鉄心内に永久磁石１７がある。この駆動装置１５の固定子１８は周方向に見て少なくとも２つのセグメント１９、２０を有する。この場合、セグメント１９は軸方向に走っている原理的に示したスロット２１を有する回転部分モータとして構成されている。スロット２１には、それに応じこの種のモータに適した巻線システムが配置されている。該巻線システムは、歯コイル、即ち各１つの歯３０を取り巻くコイル又は古典的な所望のコイルから構成されているとよい。

他方のセグメント２０は並進部分モータとして構成されており、この並進部分モータにおいてはスロット２２が各々周方向に走っていて、従って少なくとも１つの溝を掘られた円弧をなし、その中に巻線２３が配置されている。

図５は、動力伝達機構２が２つのモジュール２４から構成されたリニア・回転駆動装置１を示す。工具３とは反対側のモジュールは、少なくとも部分的に中空軸３１として構成されている。この結果、動力伝達機構２の慣性が低減され、図示しないセンサおよび／又は電子制御・調節装置のための取り付けスペースが生ずる。モジュール２４は各駆動装置４、７、１５に割り当てられているのが好ましい。何故ならば、動力伝達機構２における駆動装置種類に応じて区別されて永久磁石による構造を与えられた部分を、これら駆動装置４、７、１５に割り当てることができるからである。

図６は、図３による構成を基礎とする装置を示し、この装置においては動力伝達機構２が通しの中空軸３６として構成されている。

中空軸３６、或いは図５の部分的な中空軸３１にも、センサや、ヒートパイプ、冷却ノズル又は熱サイフォン等の冷却装置を収納できる。

図７は回転駆動装置４のための回転子６を示す。各永久磁石１３は軸方向において一片であるか、又は軸方向に相前後して配置された多数の磁石薄板から構成されている。

図８は、移動子９として構成されていて動力伝達機構２の並進運動を受け持つ動力伝達機構２の部分に関して、多数の実施可能な動力伝達機構２の部分のうちの１つを示す（図５も参照）。永久磁石１２は所定の方向に極性づけられたリング磁石であるか、又は動力伝達機構２上に位置決めして接着された多数の磁石セグメントから構成されている。

回転および並進駆動装置４、７の永久磁石により覆われた動力伝達機構２の部分の磁極ピッチは、除去すべき制止力に応じて５０〜１００％である。永久磁石間にあるブリッジ３３は、組立容易化の他に、付加的なリラクタンストルクももたらす。

回転駆動装置４が、回転を生じさせる接線力の他に動力伝達機構２２の軸受のためのラジアル力も生じるためには、固定子５に２つの別個の巻線システムを、軸方向に走るスロット内に設けるべきである。

例えば固定子５は接線力を発生させる磁極数の他に、２だけ大きい又は小さい他の磁極数を持たねばならない。この磁極数により、駆動装置内でラジアル力が発生する（回転子磁極数：４、固定子磁極数１１：４、固定子磁極数１２：２又は６）。

この場合に、この駆動装置４の２つの別個の巻線システムは別個に調節可能である。

図９による動力伝達機構２の部分は、特に図３と６に示すリニア・回転駆動装置１に適している。駆動装置１５には、少なくとも１つの巻線システムが軸方向に走るスロット２１内にあり、そして少なくとも１つの巻線システム２３が周方向に走るスロット２２内にある。永久磁石３１はチェス盤状に配置されている。間隙３２は鉄なしであり、即ち間隙３２は非磁性材料で覆われか、又は材料なしである。

他の有利な形態では、駆動装置４、７、１５が固定子５又は７の周りに冷却ジャケット３５を有し、冷却ジャケット３５が損失熱を液体冷却又は空気冷却によって固定子５又は７から排出する。これら冷却ジャケットを図５、図６に示している。

リニア・回転駆動装置の第１の実施例を示す図 リニア・回転駆動装置の第２の実施例を示す図 リニア・回転駆動装置の第３の実施例を示す図 図３によるリニア・回転駆動装置の横断面図 リニア・回転駆動装置の第４の実施例を示す図 リニア・回転駆動装置の第５の実施例を示す図 動力伝達機構の第１の実施例を示す図 動力伝達機構の第２の実施例を示す図 動力伝達機構の第３の実施例を示す図

符号の説明

１ リニア・回転駆動装置、２ 動力伝達機構、３ 工具、４ 回転駆動装置、５、８、１８ 固定子、６ 回転子、７ リニア駆動装置、９ 移動子、１０、１１ 磁気軸受、１２、１３ 永久磁石、１５ 駆動装置、１６ 成層鉄心、１７ 永久磁石、１９、２０ セグメント、２１、２２ スロット、２３ 巻線システム、２４ モジュール、３０ 歯、３１ 中空軸、３２ 間隙、３３ ブリッジ、３５ 冷却ジャケット、３６ 中空軸

Claims (9)

1. リニア・回転駆動装置（１）の動作中に、リニア運動と回転運動とに共通な動力伝達機構（２）の磁気的な軸受作用を行うための手段を有するリニア・回転駆動装置。
2. 動力伝達機構（２）の軸方向および半径方向の磁気的軸受が行なわれることを特徴とする請求項１記載のリニア・回転駆動装置。
3. 磁気軸受が、少なくとも１つの回転駆動装置（４）および少なくとも１つのリニア駆動装置（７）によって行なわれることを特徴とする請求項１又は２記載のリニア・回転駆動装置。
4. 動力伝達機構（２）が付加的な磁気軸受（１０、１１）によって支持されていることを特徴とする請求項３記載のリニア・回転駆動装置。
5. 動力伝達機構（２）が少なくとも２つの補助軸受を有し、該補助軸受が安全緊急動作時に少なくとも一時的に動力伝達機構（２）の軸受機能の一部を引き受けることを特徴とする請求項２乃至４の１つに記載のリニア・回転駆動装置。
6. 補助軸受が、ころがり軸受又はすべり軸受であるか、又は受動的な磁気軸受であることを特徴とする請求項５記載のリニア・回転駆動装置。
7. 動力伝達機構（２）が、中空軸（３１、３６）として形成された少なくとも１つの軸方向部分を有することを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載のリニア・回転駆動装置。
8. 中空軸（３１、３６）として形成された軸方向部分に、回転子位置検出、回転数検出、冷却等のための手段が設けられていることを特徴とする請求項７記載のリニア・回転駆動装置。
9. 工作機械の行程および回転運動のためのスピンドルにおいて使用するための請求項１乃至８の１つに記載のリニア・回転駆動装置。

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