JP2013038883A - Motor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、旋盤において加工物（ワーク）を保持するチャックの開閉駆動に使用されるモータに関し、特に、２つのロータ間に相対的な回転力を発生させるモータに関する。 The present invention relates to a motor used to open and close a chuck that holds a workpiece (work) in a lathe, and more particularly to a motor that generates a relative rotational force between two rotors.
特許文献１には、電磁コイル及びハウジング等からなる１つのステータと、第１の回転軸に結合された第１ロータと、第２の回転軸に結合された第２ロータとによって構成されたモータであって、第１ロータと第２ロータとによって差動出力を得るモータが開示されている。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-151867 discloses a motor configured by a single stator including an electromagnetic coil and a housing, a first rotor coupled to a first rotation shaft, and a second rotor coupled to a second rotation shaft. And the motor which obtains a differential output by the 1st rotor and the 2nd rotor is indicated.
しかしながら、特許文献１に記載されたモータは、第１ロータと第２ロータとが互いに反対方向に回転する構成となっているため、第１ロータと第２ロータとを同一の回転方向に回転させる用途には適用できない。また、このモータは、第１ロータ又は第２ロータのうちの一方のロータが過負荷によって停止しても、他方のロータが回転して出力を得る構成となっており、第１ロータと第２ロータとの間に相対的に発生する差動力を制御する構成とはなっていない。 However, since the motor described in Patent Document 1 has a configuration in which the first rotor and the second rotor rotate in opposite directions, the first rotor and the second rotor rotate in the same rotation direction. It is not applicable for use. In addition, this motor is configured such that even if one of the first rotor or the second rotor stops due to overload, the other rotor rotates to obtain output, and the first rotor and the second rotor It is not configured to control the differential force generated relative to the rotor.
また、特許文献２には、巻線を備えたモータであって、回転磁界を発生させるステータと、永久磁石を有する第１ロータと、透磁率が高い部分と低い部分とを交互に有する第２ロータとによって構成されたモータであって、第１ロータと第２ロータとがそれぞれ機械動力を出力するモータが開示されている。 Patent Document 2 discloses a second motor having a winding, which includes a stator that generates a rotating magnetic field, a first rotor having a permanent magnet, and portions having high and low magnetic permeability alternately. A motor constituted by a rotor, in which a first rotor and a second rotor each output mechanical power, is disclosed.
しかしながら、特許文献２に記載されたモータは、第１ロータが出力するトルクＴ１と、第２ロータが出力するトルクＴ２との関係が、モータの構造によって決まる正の有理数ｍに応じて、以下の式に示す関係となるようにトルクを出力する。
（式）：Ｔ１／ｍ＝−Ｔ２／（ｍ＋１）
つまり、特許文献２に記載されたモータは、有理数ｍによって固定化された関係のトルクを出力する構成となっており、第１ロータと第２ロータとの間に相対的に発生する差動力を任意に制御する構成とはなっていない。
However, in the motor described in Patent Document 2, the relationship between the torque T1 output by the first rotor and the torque T2 output by the second rotor is as follows according to a positive rational number m determined by the structure of the motor: Torque is output so as to satisfy the relationship shown in the equation.
(Formula): T1 / m = −T2 / (m + 1)
In other words, the motor described in Patent Document 2 is configured to output a torque having a relationship fixed by a rational number m, and a differential force generated relatively between the first rotor and the second rotor. It is not configured to be arbitrarily controlled.
一方、旋盤においてワークを保持するチャックをモータによって開閉駆動する機構として、例えば特許文献３に開示された機構がある。特許文献３に記載された装置は、旋盤の主軸を駆動する第１モータと、チャック開閉スリーブ（ドローバ）を前進後退させるネジ機構と、このネジ機構に回転力を与える第２モータとを備えている。 On the other hand, as a mechanism for opening and closing a chuck for holding a workpiece on a lathe by a motor, there is a mechanism disclosed in Patent Document 3, for example. The apparatus described in Patent Document 3 includes a first motor that drives a main shaft of a lathe, a screw mechanism that moves a chuck opening / closing sleeve (drawbar) forward and backward, and a second motor that applies a rotational force to the screw mechanism. Yes.
特許文献３に記載された装置においては、第１モータ及び第２モータは、それぞれ独立してロータの回転トルクと回転速度とを制御している。そして、第１モータは主軸とネジ機構の雄ネジ側とを駆動し、第２モータはネジ機構の雌ネジ側を駆動しており、第１モータと第２モータとのそれぞれが発生する回転トルクの差がネジ機構を回転させ、ドローバを前進または後退させる。 In the apparatus described in Patent Document 3, the first motor and the second motor independently control the rotational torque and the rotational speed of the rotor. The first motor drives the main shaft and the male screw side of the screw mechanism, the second motor drives the female screw side of the screw mechanism, and rotational torque generated by each of the first motor and the second motor. The rotation of the screw mechanism causes the drawbar to move forward or backward.
しかしながら、特許文献３に記載された装置においては、上述したネジ機構は主軸と一体であるので、旋削加工中は数千／ｍｉｎの回転数で回転している。このため、回転中にチャックの開閉を行う場合、ネジ機構を回転させる第２モータは、主軸の回転数と雌ネジに与えるトルクとの積による出力を発生させる必要があり、そのため、第２モータには、その出力に応じた非常に大きなモータを用いる必要がある。また、出力が大きいため、駆動するインバータも大きな容量が必要となる。 However, in the apparatus described in Patent Document 3, the above-described screw mechanism is integrated with the main shaft, and thus rotates at a rotational speed of several thousand / min during the turning process. For this reason, when the chuck is opened and closed during rotation, the second motor that rotates the screw mechanism needs to generate an output based on the product of the rotation speed of the main shaft and the torque applied to the female screw. Therefore, it is necessary to use a very large motor corresponding to the output. Further, since the output is large, the inverter to be driven also needs a large capacity.
上述したように、旋盤においてワークを把持するチャックの開閉駆動を、モータによってネジ機構を回転させることにより行う場合において、回転中にチャックの開閉を行うためには、出力が非常に大きいモータが必要となり、コストが増大するという問題がある。また、モータの容量が大きいことに伴って、インバータの容量も大きくなってコストが増大し、さらに、電線のサイズも太くなって機械の設計自由度を阻害するという問題がある。 As described above, when opening and closing the chuck that grips the workpiece on the lathe by rotating the screw mechanism with a motor, a motor with a very large output is required to open and close the chuck during rotation. Thus, there is a problem that the cost increases. Further, along with the large motor capacity, the capacity of the inverter increases and the cost increases, and the size of the electric wire also increases, which hinders the degree of freedom in designing the machine.
本発明の目的は、旋盤においてワークを把持するチャックの開閉駆動を行うモータであって、小型化が可能なモータを提供することである。 An object of the present invention is to provide a motor that opens and closes a chuck that grips a workpiece in a lathe and that can be miniaturized.
本発明は、磁性体によって形成され円筒状の形状を有し、内周において円周方向に巻き回されたコイルを備え、前記コイルに電流が供給されることによって磁束を内径方向に発生させるステータと、磁性体によって形成され円筒状の形状を有し、前記ステータの内周にエアギャップを介して配置され、円周方向に一定の間隔ごとに空間部が設けられ、外周から内周に通過する磁束に対する磁気抵抗を周期的に変化させる第１ロータと、磁性体によって形成され、前記第１ロータの内周にエアギャップを介して配置され、外周の表面に一定の間隔ごとに凹凸が設けられた第２ロータと、を備え、前記コイルに電流を供給することによって、前記第１ロータと前記第２ロータとの相対位置に応じて前記第１ロータと前記第２ロータとの間に発生する相対的な回転力を制御することを特徴とするモータである。 The present invention includes a coil that is formed of a magnetic material, has a cylindrical shape, has a coil wound in the circumferential direction on the inner periphery, and generates a magnetic flux in the inner diameter direction when current is supplied to the coil. And is formed of a magnetic material and has a cylindrical shape, and is disposed on the inner periphery of the stator via an air gap. Space portions are provided at regular intervals in the circumferential direction, and pass from the outer periphery to the inner periphery. The first rotor is configured to periodically change the magnetic resistance against the magnetic flux to be generated, and a magnetic material, and is arranged on the inner periphery of the first rotor via an air gap, and the outer peripheral surface is provided with irregularities at regular intervals. Generated between the first rotor and the second rotor according to a relative position between the first rotor and the second rotor by supplying current to the coil. You A motor and controlling the relative rotational force.
また、本発明に係るモータにおいて、前記ステータと前記第２ロータとは、磁性体の粉末を焼結することによって形成されていることが好ましい。 In the motor according to the present invention, it is preferable that the stator and the second rotor are formed by sintering a magnetic powder.
本発明によると、旋盤のチャックを開閉駆動する機構において、第１ロータと第２ロータとの間に発生する相対的な回転力をステータのコイルに供給する電流によって制御し、その相対的な回転力によってチャックの開閉駆動を行うことができる。このため、モータが発生する動力は主軸の回転速度によらず、チャックの開閉駆動に必要な動力（相対的な回転力）のみであるため、モータの小型化が図れる。 According to the present invention, in the mechanism for opening and closing the lathe chuck, the relative rotational force generated between the first rotor and the second rotor is controlled by the current supplied to the stator coil, and the relative rotation is controlled. The chuck can be opened and closed by force. For this reason, since the power generated by the motor is only the power (relative rotational force) required for opening and closing the chuck, regardless of the rotational speed of the main shaft, the motor can be reduced in size.
また、ステータと第２ロータとを、磁性体の粉末を焼結することによって形成することにより、回転中の発熱を小さく抑えることができる。 Further, by forming the stator and the second rotor by sintering magnetic powder, heat generation during rotation can be suppressed to a low level.
図１を参照して、本発明の実施形態に係るモータについて説明する。図１は、本発明の実施形態に係るモータを示す分解斜視図および断面図である。図１（ａ）はモータの分解斜視図であり、図１（ｂ）はモータの軸方向に沿った断面図である。本実施形態に係るモータは、ステータ１と第１ロータ３と第２ロータ６とを含んで構成されている。ステータ１、第１ロータ３、及び第２ロータ６は、それぞれ円筒状の形状を有する。ステータ１の内周にはエアギャップを介して第１ロータ３が配置され、第１ロータ３の内周にはエアギャップを介して第２ロータ６が配置されている。すなわち、円筒状のステータ１の内部に第１ロータ３が配置され、円筒状の第１ロータ３の内部に第２ロータ６が配置されている。 A motor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is an exploded perspective view and a sectional view showing a motor according to an embodiment of the present invention. FIG. 1A is an exploded perspective view of the motor, and FIG. 1B is a cross-sectional view along the axial direction of the motor. The motor according to this embodiment includes a stator 1, a first rotor 3, and a second rotor 6. The stator 1, the first rotor 3, and the second rotor 6 each have a cylindrical shape. A first rotor 3 is disposed on the inner periphery of the stator 1 via an air gap, and a second rotor 6 is disposed on the inner periphery of the first rotor 3 via an air gap. That is, the first rotor 3 is arranged inside the cylindrical stator 1, and the second rotor 6 is arranged inside the cylindrical first rotor 3.
ステータ１は、軸方向に積層され円筒状の形状を有するステータコア１ａ，１ｂ，１ｃを含んで構成されている。ステータコア１ａ，１ｂ，１ｃは、磁性体の粉末を焼結して形成されており、内周に溝が設けられたコの字型の断面形状を有する。ステータコア１ａ，１ｂ，１ｃは、軸方向にそれぞれ２つのエアギャップ面を有し、第１ロータ３に向かい合って配置されている。ステータコア１ａ，１ｂ，１ｃに設けられた溝には、円周方向に巻き回されたコイル２ａ，２ｂ，２ｃがそれぞれ埋設されており、コイル２ａ，２ｂ，２ｃに通電することによって、ステータコア１ａ，１ｂ，１ｃの内周に向けて磁束を発生する。 The stator 1 includes stator cores 1a, 1b, and 1c that are stacked in the axial direction and have a cylindrical shape. The stator cores 1a, 1b, and 1c are formed by sintering magnetic powder, and have a U-shaped cross-sectional shape in which a groove is provided on the inner periphery. The stator cores 1a, 1b, and 1c each have two air gap surfaces in the axial direction, and are disposed to face the first rotor 3. Coils 2a, 2b, and 2c wound in the circumferential direction are respectively embedded in grooves provided in the stator cores 1a, 1b, and 1c. By energizing the coils 2a, 2b, and 2c, the stator core 1a, Magnetic flux is generated toward the inner periphery of 1b and 1c.
本実施形態に係るモータは、ステータコア１ａとコイル２ａとを組とし、ステータコア１ｂとコイル２ｂとを組とし、ステータコア１ｃとコイル２ｃとを組とし、それら３組を一体とする３相モータとして動作する。本実施形態に係るモータは、コイル２ａ，２ｂ，２ｃに通電する電流を３相交流とすることによって連続的なトルクを発生することができる。また、ステータコア１ａ，１ｂ，１ｃのそれぞれの間にはリング状の非磁性体５が設けられており、非磁性体５によって、ステータコア１ａ，１ｂ，１ｃのそれぞれの間における漏れ磁束を抑制している。 The motor according to the present embodiment operates as a three-phase motor in which the stator core 1a and the coil 2a are combined, the stator core 1b and the coil 2b are combined, the stator core 1c and the coil 2c are combined, and these three sets are integrated. To do. The motor according to the present embodiment can generate a continuous torque by setting the current flowing through the coils 2a, 2b, and 2c to a three-phase alternating current. A ring-shaped nonmagnetic material 5 is provided between each of the stator cores 1a, 1b, and 1c, and the nonmagnetic material 5 suppresses leakage magnetic flux between the stator cores 1a, 1b, and 1c. Yes.
第１ロータ３は、軸方向に積層され円筒状の形状を有する複数の第１ロータコア３ａを含んで構成されている。第１ロータコア３ａは、ケイ素鋼板によって構成されている。第１ロータ３には、円周方向に一定の角度（間隔）ごとにスリット４（空間部）が並んで設けられている。スリット４は、ケイ素鋼板（第１ロータコア３ａ）の打ち抜き加工によって、軸方向に貫通して第１ロータコア３ａに形成されている。図１に示す例では、第１ロータ３は、軸方向に積層された６つの第１ロータコア３ａを含んで構成されている。各第１ロータコア３ａは、ステータ１の内周のエアギャップ面に向かい合って配置されている。各第１ロータコア３ａの間には、斜線で示すリング状の非磁性体７が設けられている。各第１ロータコア３ａは非磁性体７によって磁気的に分離され、軸方向に磁束が漏れることを抑制している。ステータ１（ステータコア１ａ，１ｂ，１ｃ）によって発生した磁束は、第１ロータコア３ａの外周から内周に向けて通過し、第２ロータ６の第２ロータコア６ａ，６ｂ，６ｃの外周面に作用する。 The first rotor 3 includes a plurality of first rotor cores 3a stacked in the axial direction and having a cylindrical shape. The first rotor core 3a is made of a silicon steel plate. The first rotor 3 is provided with slits 4 (space portions) side by side at regular angles (intervals) in the circumferential direction. The slit 4 penetrates in the axial direction and is formed in the first rotor core 3a by punching a silicon steel plate (first rotor core 3a). In the example illustrated in FIG. 1, the first rotor 3 includes six first rotor cores 3 a stacked in the axial direction. Each first rotor core 3 a is disposed so as to face the air gap surface on the inner periphery of the stator 1. Between each 1st rotor core 3a, the ring-shaped nonmagnetic body 7 shown with an oblique line is provided. Each of the first rotor cores 3a is magnetically separated by the nonmagnetic material 7 and suppresses leakage of magnetic flux in the axial direction. Magnetic flux generated by the stator 1 (stator cores 1a, 1b, 1c) passes from the outer periphery of the first rotor core 3a toward the inner periphery, and acts on the outer peripheral surfaces of the second rotor cores 6a, 6b, 6c of the second rotor 6. .
第２ロータ６は、軸方向に積層され円筒状の形状を有する第２ロータコア６ａ，６ｂ，６ｃを含んで構成されている。第２ロータコア６ａ，６ｂ，６ｃの外周の表面には、円周方向に一定の角度（間隔）ごとに凹凸が設けられている。これら複数の凹凸は、第１ロータコア３ａに設けられたスリット４に対応する周期で、第２ロータコア６ａ，６ｂ，６ｃの外周の表面において円周方向に並んで設けられている。また、第２ロータコア６ａ，６ｂ，６ｃは、ステータコア１ａ，１ｂ，１ｃと同様に３組を一体とした構成である。第２ロータコア６ａ，６ｂ，６ｃのそれぞれの間にはリング状の非磁性体８が設けられており、非磁性体８によって、第２ロータコア６ａ，６ｂ，６ｃのそれぞれの間における漏れ磁束を抑制している。 The second rotor 6 includes second rotor cores 6a, 6b, and 6c that are stacked in the axial direction and have a cylindrical shape. The outer circumferential surfaces of the second rotor cores 6a, 6b, 6c are provided with irregularities at regular angles (intervals) in the circumferential direction. The plurality of irregularities are provided side by side in the circumferential direction on the outer peripheral surfaces of the second rotor cores 6a, 6b, and 6c at a period corresponding to the slits 4 provided in the first rotor core 3a. The second rotor cores 6a, 6b, and 6c have a structure in which three sets are integrated as in the stator cores 1a, 1b, and 1c. A ring-shaped nonmagnetic material 8 is provided between each of the second rotor cores 6a, 6b, and 6c, and the nonmagnetic material 8 suppresses leakage magnetic flux between the second rotor cores 6a, 6b, and 6c. doing.
第１ロータ３を通過して第２ロータ６の外周面に作用する磁束は、図１（ｂ）の断面図に矢印で示すように第２ロータコア６ａ，６ｂ，６ｃの内部を軸方向に通過し、ステータコア１ａ、１ｂ，１ｃと第１ロータコア３ａとをループする閉磁路を形成する。上述したように、第２ロータコア６ａ，６ｂ，６ｃの外周の表面には凹凸が設けられており、回転位置に応じて閉磁路のループに対する磁気抵抗が変化する。 The magnetic flux that passes through the first rotor 3 and acts on the outer peripheral surface of the second rotor 6 passes through the inside of the second rotor cores 6a, 6b, and 6c in the axial direction as indicated by arrows in the cross-sectional view of FIG. Then, a closed magnetic circuit that loops the stator cores 1a, 1b, and 1c and the first rotor core 3a is formed. As described above, the outer peripheral surfaces of the second rotor cores 6a, 6b, and 6c are provided with irregularities, and the magnetic resistance with respect to the closed magnetic circuit loop changes according to the rotational position.
図２を参照して、本実施形態に係るモータの動作について説明する。図２は、本発明の実施形態に係るモータの動作を説明するための一部の断面図である。図２（ａ）は、モータの軸方向に直交する一部の断面図であり、図２（ｂ）は、モータの軸方向に沿った一部の断面図である。図２は、第１ロータコア３ａと、第２ロータコアおよびステータコアの１相分とを示す断面図である。図２には一例として、ステータコア１ａと第２ロータコア６ａとを示す。 The operation of the motor according to this embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a partial cross-sectional view for explaining the operation of the motor according to the embodiment of the present invention. 2A is a partial cross-sectional view orthogonal to the axial direction of the motor, and FIG. 2B is a partial cross-sectional view along the axial direction of the motor. FIG. 2 is a cross-sectional view showing the first rotor core 3a and one phase of the second rotor core and the stator core. FIG. 2 shows a stator core 1a and a second rotor core 6a as an example.
第１ロータコア３ａには、上述したようにプレス加工によってスリット４が形成されているため、外周から内周へ通過する磁束に対する磁気抵抗が角度に応じて変化する。第２ロータコア６ａの外周表面には、一定の周期で凹凸が設けられており、その周期は第１ロータコア３ａに形成されたスリット４の周期に等しい。この凹凸とスリット４との位置関係に応じて、上述した閉磁路のループの磁気抵抗が変化するため、図２に矢印で示すように外周側から内周側に向けて磁束が発生した場合、第１ロータコア３ａと第２ロータコア６ａとの間には、円周方向に差動回転力が発生する。図２（ａ）においては、差動回転力が発生する方向を点線の矢印で示す。 Since the slit 4 is formed in the first rotor core 3a by pressing as described above, the magnetic resistance with respect to the magnetic flux passing from the outer periphery to the inner periphery changes according to the angle. The outer circumferential surface of the second rotor core 6a is provided with irregularities at a constant cycle, and the cycle is equal to the cycle of the slit 4 formed in the first rotor core 3a. Since the magnetic resistance of the loop of the closed magnetic circuit described above changes according to the positional relationship between the unevenness and the slit 4, when a magnetic flux is generated from the outer peripheral side to the inner peripheral side as indicated by an arrow in FIG. A differential rotational force is generated in the circumferential direction between the first rotor core 3a and the second rotor core 6a. In FIG. 2A, the direction in which the differential rotational force is generated is indicated by a dotted arrow.
このように差動回転力が発生する原理を、図３を用いて更に説明する。図３は、本発明の実施形態に係るモータの動作原理を説明するための一部の断面図である。図３は、モータの軸方向に直交する一部の断面図である。回転角度θｒ１は、第１ロータコア３ａのステータ１（固定子）に対する回転角度を示しており、スリット４の無い鉄芯部分の中心Ａをゼロ点としている。回転角度θｒ２は、第２ロータコア６ａのステータ１（固定子）に対する回転角度を示しており、第２ロータコア６ａに設けられた凹凸のうちの凸部の中心Ｂをゼロ点としている。角度差θｄは、回転角度θｒ１と回転角度θｒ２との差の角度を示している。角度差θｄは、第１ロータコア３ａの鉄芯の位置と、第２ロータコア６ａに設けられた凹凸のうちの凸部の位置とが一致した場合にゼロとなる。また、スリット４の周期、すなわち第２ロータコア６ａに設けられた凹凸形状の周期が、電気角の１周期（２π）となる。 The principle of generating the differential rotational force in this way will be further described with reference to FIG. FIG. 3 is a partial cross-sectional view for explaining the operating principle of the motor according to the embodiment of the present invention. FIG. 3 is a partial cross-sectional view orthogonal to the axial direction of the motor. The rotation angle θr1 indicates the rotation angle of the first rotor core 3a with respect to the stator 1 (stator), and the center A of the iron core portion without the slit 4 is the zero point. The rotation angle θr2 indicates the rotation angle of the second rotor core 6a with respect to the stator 1 (stator), and the center B of the convex portion of the projections and depressions provided on the second rotor core 6a is the zero point. The angle difference θd indicates an angle of difference between the rotation angle θr1 and the rotation angle θr2. The angle difference θd becomes zero when the position of the iron core of the first rotor core 3a coincides with the position of the convex portion of the unevenness provided in the second rotor core 6a. Further, the period of the slit 4, that is, the period of the uneven shape provided in the second rotor core 6a is one period (2π) of the electrical angle.
図３に図示しないステータ１のコイル２ａ，２ｂ，２ｃに電流ｉを流すと、図２に示すように、ステータコア１ａ（１ｂ，１ｃ）、第１ロータコア３ａ、及び第２ロータコア６ａ（６ｂ，６ｃ）を通る磁束が生じる。この磁束によるインダクタンスは角度差θｄの関数で表され、以下の式（１）で近似される。
式（１）：Ｌ（θｄ）＝Ｌａ・ｃｏｓ（θｄ）＋Ｌ０
ただし、Ｌａはインダクタンスの変化分、Ｌ０は平均インダクタンスである。
When a current i is passed through the coils 2a, 2b, 2c of the stator 1 (not shown in FIG. 3), as shown in FIG. 2, the stator core 1a (1b, 1c), the first rotor core 3a, and the second rotor core 6a (6b, 6c). ) Is generated. The inductance due to the magnetic flux is expressed as a function of the angle difference θd and approximated by the following equation (1).
Formula (1): L (θd) = La · cos (θd) + L0
However, La is a change in inductance, and L0 is an average inductance.
図４に、角度差θｄ、インダクタンスの変化分Ｌａ、及び平均インダクタンスＬ０の関係を示す。図４は、本発明の実施形態に係るモータにおいて、第１ロータと第２ロータとの角度差と、インダクタンスとの関係を示す図である。図４において、横軸は角度差θｄを示し、縦軸はインダクタンスＬ（θｄ）を示す。 FIG. 4 shows the relationship between the angle difference θd, the inductance change La, and the average inductance L0. FIG. 4 is a diagram illustrating a relationship between the angle difference between the first rotor and the second rotor and the inductance in the motor according to the embodiment of the present invention. In FIG. 4, the horizontal axis indicates the angle difference θd, and the vertical axis indicates the inductance L (θd).
そして、電流ｉをコイル２ａ，２ｂ，２ｃに供給している場合に、インダクタンスに蓄積されるエネルギーＥは、以下の式（２）で表される。
式（２）：Ｅ＝１／２・Ｌ（θｄ）・ｉ２
角度差θｄの変化に対するエネルギーＥの変化がトルクτとなって出力されるので、式（２）を角度差θｄで微分することにより、以下の式（３）を得る。
式（３）：τ＝ｄＥ／ｄ（θｄ）＝−１／２・Ｌａ・ｓｉｎ（θｄ）・ｉ２
この式（３）から分かるように、電流ｉの二乗に比例するトルクが、第１ロータ３と第２ロータ６との角度差（相対位置）に応じて発生する。従って、本実施形態に係るモータは、第１ロータ３と第２ロータ６との間に動力を発生するモータとして機能する。すなわち、コイル２ａ，２ｂ，２ｃに供給する電流を制御することにより、第１ロータ３と第２ロータ６との間に発生する相対的な回転力を制御することができる。
When the current i is supplied to the coils 2a, 2b, and 2c, the energy E accumulated in the inductance is expressed by the following formula (2).
Formula (2): E = 1/2 · L (θd) · i 2
Since the change in the energy E with respect to the change in the angle difference θd is output as the torque τ, the following expression (3) is obtained by differentiating the expression (2) by the angle difference θd.
Formula (3): τ = dE / d (θd) = − 1/2 · La · sin (θd) · i 2
As can be seen from this equation (3), a torque proportional to the square of the current i is generated according to the angular difference (relative position) between the first rotor 3 and the second rotor 6. Therefore, the motor according to the present embodiment functions as a motor that generates power between the first rotor 3 and the second rotor 6. That is, the relative rotational force generated between the first rotor 3 and the second rotor 6 can be controlled by controlling the current supplied to the coils 2a, 2b, 2c.
次に、図１に示す３組の第２ロータコア６ａ，６ｂ，６ｃの円周上の位置関係について説明する。第２ロータコア６ａ，６ｂ，６ｃのそれぞれの外周に設けられた凸部の数をＮ個（Ｎは整数）とすると、凹凸を１周期とする角度は２π／Ｎと表される。第２ロータコア６ａの取付角度を基準にして、第２ロータコア６ｂは、取付角度を＋２π／（３Ｎ）だけずらして取り付けられ、第２ロータコア６ｃは、取付角度を−２π／（３Ｎ）だけずらして取り付けられている。すなわち、第２ロータコア６ａ，６ｂ，６ｃは、凹凸の１周期に対して１／３周期だけ互いにずらして配置されている。この結果、コイル２ａ，２ｂ，２ｃに通電する電流を、互いに１２０度ずつ位相がずれた３相交流とすることにより、本実施形態に係るモータは、一般的な３相モータとして駆動することができる。 Next, the positional relationship on the circumference of the three sets of second rotor cores 6a, 6b, 6c shown in FIG. 1 will be described. When the number of convex portions provided on the outer circumferences of the second rotor cores 6a, 6b, and 6c is N (N is an integer), the angle with the concave and convex as one period is expressed as 2π / N. Based on the mounting angle of the second rotor core 6a, the second rotor core 6b is mounted with a mounting angle shifted by + 2π / (3N), and the second rotor core 6c is mounted with a mounting angle shifted by −2π / (3N). It is attached. That is, the second rotor cores 6a, 6b, 6c are arranged so as to be shifted from each other by 1/3 period with respect to one period of unevenness. As a result, the current according to the present embodiment can be driven as a general three-phase motor by setting the currents to be supplied to the coils 2a, 2b, and 2c to three-phase alternating currents that are 120 degrees out of phase with each other. it can.
なお、上述した例では、第２ロータコア６ａ，６ｂ，６ｃを、互いに１２０度ずつ位相をずらして配置する場合について説明した。この配置例は一例であり、例えば、第２ロータ６の代わりに、第１ロータ３の第１ロータコア３ａを１２０度ずつずらして配置してもよい。製造の容易性を考慮して、いずれかの配置を任意に選択すればよい。 In the above-described example, the case where the second rotor cores 6a, 6b, and 6c are arranged with phases shifted by 120 degrees from each other has been described. This arrangement example is an example. For example, instead of the second rotor 6, the first rotor core 3a of the first rotor 3 may be shifted by 120 degrees. Any arrangement may be arbitrarily selected in consideration of ease of manufacture.
次に、ステータコア１ａ，１ｂ，１ｃおよび第２ロータコア６ａ，６ｂ，６ｃを構成する磁性材料について説明する。本実施形態に係るモータにおいて、ステータコア１ａ，１ｂ，１ｃおよび第２ロータコア６ａ，６ｂ，６ｃの内部磁束は、図１（ｂ）の断面図に示すように、軸方向および径方向に発生する。そこで、ステータコア１ａ，１ｂ，１ｃおよび第２ロータコア６ａ，６ｂ，６ｃには、任意の方向に磁束を通すことができる磁性材料を使用する。具体的には、磁性体の粉末を焼結した材料、又は磁性体の粉末を樹脂で固めた材料を用いることが好ましい。一方、第１ロータコア３ａは径方向のみに磁束を通すため、第１ロータコア３ａにはケイ素鋼板を用い、ケイ素鋼板（第１ロータコア３ａ）を積層することで第１ロータ３を構成すればよい。 Next, magnetic materials constituting the stator cores 1a, 1b, 1c and the second rotor cores 6a, 6b, 6c will be described. In the motor according to the present embodiment, the internal magnetic fluxes of the stator cores 1a, 1b, 1c and the second rotor cores 6a, 6b, 6c are generated in the axial direction and the radial direction as shown in the sectional view of FIG. Therefore, a magnetic material capable of passing a magnetic flux in an arbitrary direction is used for the stator cores 1a, 1b, 1c and the second rotor cores 6a, 6b, 6c. Specifically, it is preferable to use a material obtained by sintering magnetic powder or a material obtained by solidifying magnetic powder with resin. On the other hand, since the first rotor core 3a passes the magnetic flux only in the radial direction, a silicon steel plate is used for the first rotor core 3a, and the first rotor 3 may be configured by laminating silicon steel plates (first rotor core 3a).
次に、本発明の実施形態に係るモータを使用して旋盤のチャックを開閉制御する構成例について、図５を参照して説明する。図５は、本発明の実施形態に係るモータを用いてチャックの開閉駆動を行う旋盤の主軸を示す断面図である。 Next, a configuration example for controlling opening and closing of a lathe chuck using a motor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a cross-sectional view showing the main spindle of a lathe that opens and closes the chuck using the motor according to the embodiment of the present invention.
本実施形態に係る旋盤においては、主軸１２を高速で回転させるために、主軸１２を駆動させるためのモータ２０が、主軸１２の中央部に連結されている。また、主軸１２は軸受によって回転可能に支持されている。主軸１２には中心軸に沿って中空の貫通孔が設けられており、この貫通孔の先端部にはチャック９が設けられている。チャック９には爪１０が径方向にスライド可能に取り付けられており、ワーク１１を爪１０で把持する。主軸１２の内部には、主軸１２の軸方向に移動可能なドローバ１３が設けられている。ドローバ１３の先端部がチャック９の内側の面に当接するように、ドローバ１３の先端部がチャック９の内側に挿入されている。ドローバ１３の後端部にはネジ溝が設けられている。主軸１２の後端部には、ドローバ１３のネジ溝に嵌り合うネジ部１４が設けられている。ネジ部１４を回転させることによって、ドローバ１３は軸方向に沿ってチャック９側（先端部側）またはチャック９とは反対側（後端部側）に移動する。ドローバ１３がチャック９側（先端部側）に移動することによって、ドローバ１３の先端部がチャック９の内側の面を押圧し、爪１０を径方向の外側に押し広げる。これにより、爪１０は開く方向に移動する。一方、ドローバ１３がチャック９とは反対側（後端部側）に移動することによって、チャック９の内側の面への押圧が解除され、爪１０が径方向の内側に移動する。これにより、爪１０は閉じる方向に移動する。このように、ドローバ１３の移動によって爪１０を開閉制御する。 In the lathe according to the present embodiment, a motor 20 for driving the main shaft 12 is connected to the central portion of the main shaft 12 in order to rotate the main shaft 12 at high speed. The main shaft 12 is rotatably supported by a bearing. The main shaft 12 is provided with a hollow through hole along the central axis, and a chuck 9 is provided at the tip of the through hole. A claw 10 is attached to the chuck 9 so as to be slidable in the radial direction, and the work 11 is held by the claw 10. Inside the main shaft 12, a draw bar 13 that is movable in the axial direction of the main shaft 12 is provided. The leading end of the draw bar 13 is inserted inside the chuck 9 so that the leading end of the draw bar 13 abuts on the inner surface of the chuck 9. A screw groove is provided at the rear end of the draw bar 13. At the rear end portion of the main shaft 12, a screw portion 14 that fits into the screw groove of the draw bar 13 is provided. By rotating the screw portion 14, the draw bar 13 moves along the axial direction to the chuck 9 side (front end portion side) or the side opposite to the chuck 9 (rear end portion side). When the draw bar 13 moves to the chuck 9 side (tip end side), the tip end of the draw bar 13 presses the inner surface of the chuck 9 and pushes the pawl 10 outward in the radial direction. Thereby, the nail | claw 10 moves to the opening direction. On the other hand, when the draw bar 13 moves to the side opposite to the chuck 9 (rear end side), the pressure on the inner surface of the chuck 9 is released, and the claw 10 moves radially inward. Thereby, the nail | claw 10 moves to the close direction. In this way, the claw 10 is controlled to open and close by the movement of the draw bar 13.
ネジ部１４の後端部にはスリーブ１５が一体的に設けられている。旋盤主軸の後端部には、本実施形態に係るモータが設けられている。スリーブ１５には、本実施形態に係るモータの第２ロータ６が取り付けられている。また、主軸１２の後端部にはハウジング１６が取り付けられている。そのハウジング１６には、第１ロータ３が取り付けられている。また、スリーブ１５は、ハウジング１６に対して軸受１７を介して取り付けられている。そして、第１ロータ３と第２ロータ６との間で差動トルク（相対的な回転力）を発生させることにより、ネジ部１４を第２ロータ６によって回転させる。図５は、中心軸を挟んで一方（上側）のドローバ１３が、チャック９側（左方向）に移動して爪１０を開き、他方（下側）のドローバ１３が、チャック９とは反対側（右方向）に移動して爪１０を閉じている状態を示している。 A sleeve 15 is integrally provided at the rear end portion of the screw portion 14. A motor according to this embodiment is provided at the rear end of the lathe spindle. A second rotor 6 of the motor according to this embodiment is attached to the sleeve 15. A housing 16 is attached to the rear end portion of the main shaft 12. The first rotor 3 is attached to the housing 16. The sleeve 15 is attached to the housing 16 via a bearing 17. Then, the screw portion 14 is rotated by the second rotor 6 by generating a differential torque (relative rotational force) between the first rotor 3 and the second rotor 6. FIG. 5 shows that one (upper side) draw bar 13 moves to the chuck 9 side (left direction) across the central axis to open the claw 10, and the other (lower side) draw bar 13 is opposite to the chuck 9. A state in which the claw 10 is closed by moving in the right direction is shown.
また、ドローバ１３は、主軸１２に対して図示しないキーによって回転方向の移動が規制されており、軸方向のみに移動可能となっている。 Further, the draw bar 13 is restricted from moving in the rotational direction with respect to the main shaft 12 by a key (not shown), and can move only in the axial direction.
スリーブ１５にはブレーキ板１９が設けられている。クラッチ１８は、ハウジング１６に対するスリーブ１５の回転を規制するように機能する。図示しないスリップリングによって電流を供給するときは、クラッチ１８は、ブレーキ板１９をハウジング１６に対して回転可能にさせ、電流を供給しないときは、ブレーキ板１９とハウジング１６とを固定することによって、ドローバ１３の移動を規制する。 The sleeve 15 is provided with a brake plate 19. The clutch 18 functions to restrict the rotation of the sleeve 15 relative to the housing 16. When supplying current by a slip ring (not shown), the clutch 18 makes the brake plate 19 rotatable with respect to the housing 16, and when supplying no current, the clutch plate 19 and the housing 16 are fixed. The movement of the draw bar 13 is restricted.
本実施形態に係るモータによれば、旋盤のチャック９を開閉駆動する機構において、主軸１２とともに高速で回転している第１ロータ３と第２ロータ６とに対して、主軸１２の回転速度に関係なく互いの相対的な回転トルク（回転力）のみをステータ１のコイル２ａ，２ｂ，２ｃの電流で制御することができる。すなわち、主軸１２の回転速度の影響を受けずに、第１ロータ３と第２ロータ６との間に発生する相対的な回転トルク（回転力）をコイル２ａ，２ｂ，２ｃに供給する電流によって制御し、その相対的な回転トルク（回転力）によってチャック９の開閉駆動を行うことができる。このため、ネジ部１４を回転させるトルクと主軸の回転数との積に相当する動力を、本実施形態に係るモータ（チャック９の開閉駆動を行うためのモータ）に発生させる必要がない。従って、モータが発生する動力は主軸１２の回転速度によらず、ネジ部１４を回転させるために必要な動力のみであるので、モータの小型化が図れ、モータの発熱を小さく抑えることができる。 According to the motor according to the present embodiment, in the mechanism for opening and closing the chuck 9 of the lathe, the rotational speed of the main shaft 12 can be increased with respect to the first rotor 3 and the second rotor 6 rotating at high speed together with the main shaft 12. Regardless, only the relative rotational torque (rotational force) of each other can be controlled by the current of the coils 2a, 2b, 2c of the stator 1. That is, the relative rotational torque (rotational force) generated between the first rotor 3 and the second rotor 6 without being affected by the rotational speed of the main shaft 12 is generated by the current supplied to the coils 2a, 2b, 2c. The chuck 9 can be driven to open and close by its relative rotational torque (rotational force). For this reason, it is not necessary to generate the power corresponding to the product of the torque for rotating the screw portion 14 and the rotational speed of the main shaft in the motor according to the present embodiment (the motor for driving the opening and closing of the chuck 9). Accordingly, since the power generated by the motor is only the power necessary for rotating the screw portion 14 regardless of the rotational speed of the main shaft 12, the motor can be miniaturized and the heat generation of the motor can be kept small.
また、本実施形態に係るモータは、発生する動力が小さいので、小さな電流でコイルのターン数を多くすることができる。従って、本実施形態に係るモータを駆動するインバータの容量を小さくすることができる。 Further, since the motor according to the present embodiment generates a small amount of power, the number of turns of the coil can be increased with a small current. Therefore, the capacity of the inverter that drives the motor according to the present embodiment can be reduced.
１ ステータ、１ａ，１ｂ，１ｃ ステータコア、２ａ，２ｂ，２ｃ コイル、３ 第１ロータ、３ａ 第１ロータコア、４ スリット、５，７，８ 非磁性体、６ 第２ロータ、６ａ，６ｂ，６ｃ 第２ロータコア、９ チャック、１０ 爪、１１ ワーク、１２ 主軸、１３ ドローバ、１４ ネジ部、１５ スリーブ、１６ ハウジング、１７ 軸受、１８ クラッチ、１９ ブレーキ板、２０ モータ。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Stator, 1a, 1b, 1c Stator core, 2a, 2b, 2c Coil, 3 1st rotor, 3a 1st rotor core, 4 Slit, 5, 7, 8 Nonmagnetic material, 6 2nd rotor, 6a, 6b, 6c 1st 2 rotor cores, 9 chucks, 10 claws, 11 workpieces, 12 spindles, 13 drawbars, 14 threaded parts, 15 sleeves, 16 housings, 17 bearings, 18 clutches, 19 brake plates, 20 motors.
Claims (2)
磁性体によって形成され円筒状の形状を有し、前記ステータの内周にエアギャップを介して配置され、円周方向に一定の間隔ごとに空間部が設けられ、外周から内周に通過する磁束に対する磁気抵抗を周期的に変化させる第１ロータと、
磁性体によって形成され、前記第１ロータの内周にエアギャップを介して配置され、外周の表面に一定の間隔ごとに凹凸が設けられた第２ロータと、
を備え、
前記コイルに電流を供給することによって、前記第１ロータと前記第２ロータとの相対位置に応じて前記第１ロータと前記第２ロータとの間に発生する相対的な回転力を制御することを特徴とするモータ。 A stator that is formed of a magnetic material and has a cylindrical shape, includes a coil wound in a circumferential direction on the inner periphery, and generates a magnetic flux in an inner diameter direction by supplying current to the coil;
Magnetic flux that is formed of a magnetic material, has a cylindrical shape, is arranged on the inner circumference of the stator via an air gap, and has a space portion at regular intervals in the circumferential direction and passes from the outer circumference to the inner circumference A first rotor for periodically changing the magnetoresistance with respect to
A second rotor formed of a magnetic material, disposed on the inner periphery of the first rotor via an air gap, and provided with irregularities at regular intervals on the outer peripheral surface;
With
Supplying a current to the coil to control a relative rotational force generated between the first rotor and the second rotor in accordance with a relative position between the first rotor and the second rotor; A motor characterized by
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