WO1990006617A1 - Ac spindle motor and method of changing the revolving speed thereof - Google Patents

Description

' 明 細 書

交流ス ピ ン ド ルモー タ と その回転速度切 り 換え方法

技術分野

本発明 は、 工作機械の主軸ュニ ッ ト の駆動源と して用 い ら れる誘導モー タ 型の交流ス ピ ン ド ルモー タ に闋 し、 特に.、 単

—合で低速域と髙速域と の両回転速度域に切 り 換えて使用す る こ とができ るために、 工作機械の主軸の融通度を高め る こ とが可能な交流ス ピ ン ド ルモー タ と 、 同モー タ の低速と髙速 と の間における速度の切 り 換え方法と に関する。

背景技術

工作機械の主軸ュニ ッ ト と して多相 （一般的に は三相）. 交 流誘導モータ の出力軸端が、 主軸駆動用出力軸に形成さ れた 交流ス ピ ン ド ルモータ は、 従来か ら多用 さ れてい る。

こ の種の多相交流ス ピ ン ド ルモー タ は、 近時の 自動工具交 換装置を具備 した数値制御工作機械やマ シニ ングセ ンタ ー に も組み込ま れて使用 さ れてい る。 こ の種の数値制御工作機械 ゃマ シニ ングセ ンタ ー においては、 主軸の回転速度の髙速化 が進んでい るが、 髙速域での切削および研磨を遂行可能であ る ばか り でな く 、 同時に主軸の回転が低速域において も充分 な切削能力を発揮する も のが要請 さ れる傾向にあ る。 こ の要 請に従って、 交流ス ピ ン ド ルモ ー タ は、 単一合のモ ー タ が低 速域か ら髙速域への広い範囲に渡っ て安定 した回転速度と所 定の出力 ト ルク を発生 し得る こ とが必要であ る。 こ のため、 回転磁界形成用電流の周波数を可変に して速度を低速域か ら 髙速域への広範囲に渡って変更する と き 、 捲線のタ ー ン数を 捲線の結線欤態の切り'換えによ り 増加させた り 、 減小さ せた り する こ と によ つ て広速度域に渡って安定 した出力 ト ルク を 確保 したス ピ ン ド ルモ ータ は、 例えば、 本願出願人の先願で あ る特願昭 6 3 - 1 4 4 8 5 1 号に既に提案さ れてい る。

然 しなが ら、 一般に多栢誘導型交流モータ においては、 低 速域では、 4 極を有したモータ が良好な出力 ト ル ク 特性を呈 し、 髙速域では、 4 極のままでは駆動回路系 （ ド ラ イ バー） の電流制御方式を非同期式から同期式に変えな ければな らな いか ら煩瑣があ るか ら、 一般的に は、 高周波数域で良好な ト ルク 特性を呈する こ とか ら 2 極モータ が多用 さ れてい る。 こ れ らの 4 極、 2 極の両モータ は、 ス テ ータ の成層 コ ア も夫々 の極数に応 じて所望の磁気特性を奏する よ う に各コ ア片、 す なわち、 コ ア ラ ミ ネ ー シ ョ ンの厚さ 寸法ゃ径寸法が適正値に 設計さ れている。

従っ て、 こ の極数の違いに依るモータ の出力 ト ルク 特性、 成層コ 了 の磁気特性等を有効に活用可能な多相誘導型交流モ ータ を組み込んで構成さ れた交流ス ピ ン ド ルモータ の提供が 更に要請さ れている。

こ こ で、 従来の 4 極交流誘導モータ における成層 コ 了 の薄 肉、 小径コ アの特性を活用する場合を考察する と、 低速域で はそのま ま良好な速度、 ト ルク 闋係の特性を生かすこ とが可 能であ るが、 高速域では 4 極のま ま 周波数の増加を図る と、 駆動回路系が持つ制限条件か ら徒に周波数増加を図る こ と は 困難であ り 、 故に、 充分に速度のア ッ プが面難にな る不都合 があ り 、 他方、 従来の 2 極交流誘導型モータ における成層 コ 了を用 いる と、 一般に コ了 ヨ ー ク の直径が 4 極成層 コ ア に比 較 して大き 'く 、 モ ー タ 外形が大き く 成っ て しま う 不都合があ る o 発明の開示

依っ て、 本発明の主な 目的は、 4 極交流誘導型モー タ 用の 成層 コ アを利用す る こ と を前提と し、 速度、 出力を低速域か ら高速域ま で 1 台のモ ー タ によ り 安定に可変 し得る新規な交 流ス ピ ン ド ルモ ー タ を提供せんとする も のであ る。

本発明の他の目的は、 上記新規な交流ス ピ ン ド ルモー タ の 低 · 高速出力間で切 り 換えを行 う ための新規な方法を提供す な し と kし あ 。

本発明 によれば、 工作機械の主軸の駆動に用 い られ、 その 主軸に結合可能な出力軸を有 した 口 ータ と、

そのロ ータ の外側周囲に配置さ れたス テ ー タ と を有 し、 該 ス テ ー タ は ヨ ー ク をなす 1 つの成層 コ ア と、 該成層 コ 了 内に 収納さ れる 回転磁界形成用の複数相のス テ ー タ 捲線 とを具備 してい る よ う な交流ス ピ ン ド ルモー タ であ っ て、

前記回転磁界形成用の複数相のス テ ー タ 捲線の各相捲線が 一定回転速度 ^下の低速領域と該一定回転速度を こ え る高速 領域と の両領域の何れに も駆動電流を供給さ れる第 1 の組の 捲線と、

低速領域にのみ駆動電流を供給さ れる第 2 の組の捲線と、 低速時に は前記第 1 の組及び第 2 の組の捲線に同時に駆動 電流を導入 して第 1 の複数極回転磁界を形成さ せ、 高速時に は-前記第 1 の組の捲線にのみ駆動電流を導入 して前記第 1 の 複数極数よ り 少な い第 2 の複数極回転磁界を形成す る よ う に 開閉切り換え可能な電気接点手段とを、

具備して構成された捲線のア ンペアタ ー ン数切り換えと極 数切り換えとによ り ス ピ ン ド ルの出力回転を低 · 高速切り換 えるよ う に した交流ス ピ ン ド ルモータ が提供される。

上述の構成によ り、 交流ス ピ ン ド ルモータ を低速運転から 高速運転へ切り換える とき は、 極数を低減して駆動回路系の 制限を回避し、 又、 捲線数を低減して成層コ 了内の磁束密度 を低減する ものである。 図面の簡単な説明

本発明の他の目的、 特徵、 利点は以下に添付図面に示す実 施例の記載から更にか明 らかにするが、 図面において、

第 1 A ©は本発明の 1 実施例に係る出力切り換え形三相交 流ス ピ ン ド ルモータ の捲線配置と成層コ 了の一部を示した略 示回路図、 第 1 B図は第 1 A図の 1 Bで示した部分を拡大図 であ り 、 捲線溝における上コ イ ル と下コ イ ルの挿入妆態を示 した部分図、 第 2図は、 第 1 図に示したス ピ ン ド ルモータ に おけるステータ の一相の捲線に極数切り換え用に設けられた コ ン ダク タ ー の接点群配置を示した回路図、 第 3 図は、 同第 2 図に示した捲線と接点群とにおいて低速運転時における接 点群の開閉拔態を示した回路図、 第 4図は、 同第 2 図に示し た捲線と接点群とにおいて髙速運転時における接点群の開蘭 状態を示した回路図、 第 5 A図は、 同 じ く 第 2 図に対応する 1 粗のス テータ捲線における 4 極捲線形成時のコ ィ ル配置を 示した図、 第 5 B図は、 同第 5 A図のコ イ ル に駆動電流を供 給した際の磁束流の形成钛態を示した略示図、 第 6 A図は第 2 図に対応する 1 相のス テ ー タ 捲線にお け る 2 極捲線形成時 の コ イ ル配置を示 した図、 第 6 B図は、 同第 6 A図のコ イ ル に駆動電流を供給 した際の磁束流の形成状態を示 した略示図 であ る 発明を実施する ための最良の態様

第 1 A図を參照する と 、 本実施例に係る三相交流ス ピ ン ド ルモ ー タ 1 0 は、 中心部に工作機械の主軸 （ス ピ ン ド ル） に 結合さ れて これを駆動する 出力軸 1 2 を有 した ロ ー タ 1 4 と こ の ロ ー タ 1 4 の周囲に配置さ れた三相のス テ ータ 1 6 と を 具備 して形成さ れてい る 。 こ のス テ ー タ 1 6 は 4 極回転磁界 と 2 極回転磁界と の 2 種類の極数間で切 り 換え られる ス テ ー タ 捲線 1 8 を具備 してお り 、 ス テ ータ 捲線 1 8 は電気的中性 点 1 9 に結合さ れた U相捲線 1 8 u と、 V相捲線 1 8 v と、 W相捲線 1 8 w と を備えてな り 、 これ ら の捲線 1 8 u、 1 8 v 、 1 8 は、 図示の成層 コ ア 2 0 の捲線溝 2 2 内に収納さ れる。 第 1 B図は或る 1 相の捲線が上コ イ ル、 下コ イ ルの 2 段で揷 入さ れてい る状態を示 してい る。 第 1 A図に図示の成層 コ ア 2 0 は 4 極捲線用の ヨ ー ク を成す も のであ り 、 こ の成層 コ ァ 2 0 は、 2 極捲線用の成層 コ ア に用 い る板状コ 了よ り も薄肉 かつ小外径の板状コ ア片 2 4 を積層 して形成さ れた周知の構 造を有 した も の と理解すればよ い。

さ て、 各相！]、 V、 Wの捲線 1 8 u、 1 8 v、 1 8 w に就 いて、 第 1 A図を参照する と、 夫々 の捲線は 4 つのコ イ ル

C ！ 、 C 2 、 C ₃ 、 C 4 と 4 つの駆動電流タ ー ミ ナル （例え ば、 U相では、 U ！ 、 U 2 、 U 3 ·、 U 4 の駆動電流タ ー ミ ナ ルを有 し、 V相、 W相に就いて も同様な駆動電流タ ー ミ ナ ル を有 してい る ） を具備 してい る。

こ こで、 第 2 図を参照する と、 第 1 図の U相における捲線 1 8 u において、 4 極と 2 極と の間で切 り 換え るためのコ ン ダク タ ーの開閉接点 S 〜 S ₄ を配置 した状態を図示 してい る。 なお、 コ ンダク タ ー 自体は、 ス ピ ン ドルモータ の駆勖回 路系における制御部に具備さ れて低速 · 高速出力の指令信号 に従つて作動 し、 上記開閉接点 〜 S ₄ の開閉を行う も の であるが、 本発明の本質に直接的に は闋与 しないので こ こで は説明を省略する。 上記 4 つの開閉接点 S , 〜 S ₄ は第 2 図 に示 した U相のス 亍 ー タ 捲線 1 8 u における駆動電流タ 一 ミ ナ ル U ₃ と U ₄ との間、 タ ー ミ ナル U ₂ と U ₄ との藺、 タ ー ミ ナ ル U ₃ の前段、 タ ー ミ ナ ル の前段に夫々配置さ れ、 後 述の如 く 、 同ス テ ータ 捲線 1 8 u における コ イ ル 〜 C ₄ への回転磁界形成用駆動電流の流入、 流出を切 り 換え、 以て 極数の切 り 換えを行う も のであ る。 なお、 第 1 図に示 した他 の V相、 W相における ス テ ータ 捲線 1 8 V、 1 8 wに も 同様 の配置で夫々 4 つの開閉接点 S t 〜 S ₄ が具備されている こ と は注意すべきであ る。 また、 第 2 図は単に開閉接点 S i 〜 S 4 を設ける位置を示 した ものであ るために各接点は開钛態 のま ま示 してあ る。 次に第 3 図を参照する と、 ス ピ ン ド ル モータ の低速域と高速域との切 り 換え指令信号に従ってコ ン ダク タ ーが作動され、 その結果、 その開閉接点 S t と開閉接 点 S 4 と は閉 じ られ妆態にあ り 、 他の 2 接点 S ₂ 、 S 3 は開 妆態にあ る こ とが示されてい る。 このよ う に切 り 換え られた 状態で駆動電流が U相捲線 1 8 u に供給さ れる と、 同電流は 矢印で示すよ う に閉成接点 、 S 4 を介 して 4 つの コ イ ル C ！ 〜 C ₄ の全てに流れ、 この と き、 これ ら の 4 つのコ イ ル は予め低速域用の 4 極結線を形成する よ う に設け られてい る のであ る。

他方、 第 4 図は、 高速域へ切 り 換えた状態であ り 、 開閉接 点 S 2 、 S ₃ は閉成さ れ、 他の 2 つの開閉接点 S i 、 S 4 は 開状態に維持さ れてい る。 故に、 駆動電流は矢印に示すよ う に流れ、 コ イ ル C ₂ と C ₄ と の両者にのみ供給さ れて、 高速 域用 2 極結線を形成 してい る。

第 3 図と第 4 図は、 三相交流誘導型のス ピ ン ド ルモ ー タ の U相のみを考察 した場合に就き、 図示 したが、 他の V相、 W 相に就いて も、 上記 U相と 同 じ接点の切 り 換えを行 っ て V相 駆動電流、 W相駆動電流が夫々 、 1 2 0 ⁰ の電気角位相差に よ り 、 供給さ れる よ う に構成さ れてい るか ら、 夫々 4 極、 2 極の回転磁界がス テ 一 タ 1 6 に形成さ れる こ と にな る。

さ て、 再び第 2 図〜第 4 図を参照する と、 各相、 例えば、 図示の U相で、 上述の説明か ら コ イ ル と C ₃ は 4 極結線 の形成時にのみ使用 さ れ、 コ イ ル C ₂ と C ₄ は 4 極、 2 極の 両結線の形成に使用 さ れてい る こ とがわかる。 すなわち、 極 数が低減さ れる高速域では成層 コ ァが 4 極用 コ 了を用 いてい る こ とか ら、 ア ンペ ア タ ー ン数の低減によ り 、 成層 コ ア 中 に おけ る磁束密度の飽和を防止 し、 適正な出力 ト ルク を得る よ う に してい る のであ る。 そ して本発明では、 C i と C ₂ は成 層コ アの同一捲線溝内に上下配置で収納さ れ、 他のコ イ ル C _ΰ と C ₄ はやは り 成層 コ アの同一捲線溝内に上下配置で収 納さ れてい る。 第 5 A図と第 5 B図と は上記の同一捲線溝における コ イ ル の上下配置と、 4 極結線形成時における磁束流の形成との射 応藺係を U栢捲線 1 8 1 に就いて、 図示 した も のであ る。 こ の場合に コ イ ル - C 4 は夫々 6 タ ー ン捲線と して形成 し た実施例を示してい る。 なお、 第 5 B図におけ る太い矢印が 磁束の流れ方向を示 し、 各方向に 6 ア ンペ アタ ー ン分の磁束 密度を有 してい る こ とがわかる。

他方、 第 6 A図と第 6 B図は同 じ く 同一捲線溝における コ ィ ルの上下配置と、 2 極結線形成時における磁束流の形成と の対応関係を U相捲線 1 8 11 に就いて、 図示 した ものであ る _c こ の場合には捲線溝内の上側に配置されたコ イ ル C i と C 3 は使用 さ れていないために、 成層 コ イ ルの ヨ ー ク 中を流動す る磁束密度は約半分にな り 、 故に、 4 極用成層 コ アにおいて も磁束密度の飽和を阻止 し得る こ とが理解でき る。 以上の 本発明の実施例の構成か ら明 らかなよ う に、 本発明は、 单一 台のス ピ ン ド ルモータ の速度出力を低速、 高速域で切 り 換え る に当た り 、 成屢コ アを極数の多い低速度用途の誘導モータ に合わせて設計さ れた コ アを利用 し、 こ の成層 コ 了内に 2 種 のス テ ータ 捲線を同一捲線溝内で上下配置で設け、 低速、 高 速域との切 り 換え時に は極数低減と一部捲線への駆動電流の 供給遮断によ り 駆動電流系の制限条件を回避 し、 且つ成層 コ ァにおける磁束密度の飽和を回避 して髙速域においても所望 の速度と 出力 ト ルク とを得る こ とができ る よ う に したも ので あ *S)

本実施例では 4 極と 2 極との切り換えの最も有効、 実用的 な実施例の場合を説明 したが、 他の極数変更によ り 実施する こ と も可能セあ る こ と は言 う ま で も な い。 ま た、 2 極用成層 コ アを用 い る こ と を基本条件と して上記の実施例によ る捲線 構成を と る こ と も可能ではあ る が、 その場合に は、 成層 コ ア の外形寸法が大型化 し、 故にス ピ ン ド ルモ ータ 自 体が大形化 する こ と を避け得な い。

以上の説明か ら 明 らかなよ う に、 本発明 によれば、 極数の 多い低速用途の交流誘導モータ 用の成層 コ ァを使用 して工作 機械で切削、 研削に常用 さ れる低速、 高速の両域の速度と所 要出力 ト ル ク を発揮 し得る ス ピ ン ド ルモ ー タ が提供さ れ、 し かも、 ス ピ ン ド ル ヨ ー ク を形成する成層 コ ア 自 体の径が比較 的小径であ る こ とか ら、 コ ンパク ト なモ ータ 外形と して形成 さ れ、 故に工作機械への装着時に も嵩張 り を防止でき る効果 を得る こ とができ る。 更に、 こ のよ う な小径の成層 コ ア の利 用 によ り 、 モ ータ 外筒の液冷却を実施する場合に も熱抵抗が 小さ く 、 高 ト ル ク 化も可能と な る のでモ ー タ 性能と外形形状 の条件等の両面か ら極めて有効な交流ス ピ ン ド ルモ ー タ を形 成する こ と に成る。

Claims

' 請 求 の 範 囲

1 . 工作機械の主軸の駆動に用 い られ、 その主軸に結合可 能な出力軸を有 した ロ ータ と、

その η —夕 の外側周面に配置さ れたス テ 一タ とを有 し、 該 ステ 一タ は ヨ ー ク をなす 1 つの成層 コ ア と、 該成層 コ ア内に 収納さ れる 回転磁界形成用の複数相のステ ータ捲線とを具備 してい るよ う な交流ス ピ ン ド ルモータ であ っ て、

' 前記回転磁界形成用の複数相のス テ ータ 捲線の各相捲線が、 一定回転速度以下の低速領域と該一定回転速度を こえ る高速 領域との雨領域の何れに も駆動電流を供給さ れる第 1 の組の 捲 と、

低速領域にのみ駆動電流を洪給される第 2 の組の捲線と、 低速時に は前記第 1 の組及び第 2 の組の捲線に同時に駆動 電流を導入 して第 1 の複数極回転磁界を形成させ、 高速時に は前記第 1 の組の捲線にのみ駆動電流を導入 して前記第 1 の 複数極数よ り少ない第 2 の複数極回転磁界を形成する よ う に 開閉切り 換え可能な電気接点手段とを、

具備 して構成された こ とを特徵と した交流ス ピ ン ド ルモ 一 タ 。

2 . 前記各相の捲線における第 1 、 第 2 の組の捲線は、 夫 々 が、 直列接続さ れた一定ア ン ぺ 了タ ー ン の複数の捲線を舍 んでいる こ とを特徵と した請求項 1 . に記載の交流ス ピ ン ド ルモータ 。

3 . 前記成層 コ ア は 4 極回転磁界用の磁性鐧板の成層体か らな り 、 かつ前記複数相のス テ ータ 捲線は 3 相捲線であ り 、 前記第 1 の組の捲線は、 第 1 極の捲線と第 2 極の捲線と を具 備 して形成さ れ、 前記第 2 の組の捲線は、 第 3 極の捲線と第

4 極の捲線と を具備 して形成さ れる こ と を特徵と した請求項

2 . に記載の交流ス ピ ン ド ル。

4 . 前記各相にお け る第 1 の組の捲線と前記第 2 の組の捲 線と は前記 4 極回転磁界用成層 コ 了 に形成 した捲線溝内に上 下に して配設さ れてい る こ と を特徴と した特許請求の範囲 2 に記載の交流ス ピ ン ド ル。

5 . 前記電気接点手段は、 前記各相の捲線にお け る第 1 、 第 2 の組の捲線を前記低速領域において直列に結合する よ う に閉 じ、 かつ前記高速域において開 く 第 1 の電気接点群 （ S

1 、 S 4 ) と、 前記高速領域においてのみ閉 じて前記第 1 の 組の捲線に駆動電流を導入可能にする第 2 の電気接点群 （ S

2 、 S 3 ) とを具備 して構成さ れてい る こ と を特徵とする請 求項 2 . に記載の交流ス ピ ン ド ル。

6 . 工作機械の主軸の駆動に用 い られ、 出力軸を有 した 口 ータ と、 その周囲に配置さ れて誘導モー タ の回転磁界を形成 する ス テ ー タ とか ら成る交流ス ピ ン ド ルモ ー タ の速度切 り 換 え方法において、

複数の極と複数の捲線溝と を有 し、 コ ア片を重た成層構造 を有する ステ ー タ コ ァ に組み込ま れる多相捲線の各相捲線に 低速 · 高速の両速度域で使用する複数のア ン ぺ 了 タ ー ンを有 した第 1 の捲線と、 高速域では使用 さ れず、 低速域でのみ使 用 さ れる複数のア ン ペ ア タ ー ンを有 した第 2 の捲線と を設け .

-低速域に は前記第 1 、 第 2 の捲線に同時に駆動電流を供給 し、 高速域で 前記第 2 の捲線への駆動電流の洪給を遮断 し、 Jilて低速域か ら高速域へ及びその逆の速度変更時にア ン べ ァタ ー ンを変化さ せる よ う に した こ とを特徵と した交流ス ピ ン ド ルモータ の出力速度切 り 換え方法。

？ . 前記第 1 の捲線と第 2 の捲線は夫々が複数の極数を有 し、 £1て低速域か ら高速域へ及びその逆の速度変更時に極数 を変更する よ う に したこ とを特徴とする請求項 6 . に記載の 交流ス ピ ン ド ルモータ の出力速度切 り 換え方法。