JP2013038883A - モータ - Google Patents

Abstract

【課題】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。
【解決手段】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有する。第１ロータ３は、磁性体によって形成され円筒状の形状を有し、円周方向に一定の角度（間隔）ごとに空間部が設けられている。第２ロータ６は、磁性体によって形成され、外周の表面に一定の角度（間隔）ごとに凹凸が設けられている。ステータに設けられたコイル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。
【選択図】図１

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

特開平６−１７８５１５号公報 特開２０１１−８３１０７号公報 特開平８−１０８３０３号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 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。 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。 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。 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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）・ｉ^２
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）・ｉ^２
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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

Claims (2)

1. 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。
2. 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を特徴とする請求項１に記載のモータ。