JP2016215329A - 流体を流動させるための貫通孔が形成された主軸構造、電動機、および工作機械 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータの貫通孔内で流体の流動を促進させる技術が求められている。
【解決手段】主軸構造１０は、回転可能な回転部７２を備える。回転部７２は、該回転部７２の軸方向一端に設けられる工具保持部５４ａ、および、回転部７２を貫通して軸方向一端にて開口する貫通孔２８、５８を有する。また、主軸構造１０は、貫通孔２８、５８に設けられる翼を備える。翼は、回転部７２が回転するときに、該回転部７２とともに回転して貫通孔２８、５８の内部に存在する流体を軸方向一端へ向かって流動させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体を流動させるための貫通孔が形成された主軸構造、電動機、および工作機械に関する。

冷媒等の流体を流動させるための貫通孔が形成されたロータを備える主軸構造および電動機が知られている（例えば、特許文献１および２）。

特開平６−１７０６９０号公報 特開平１０−１４６０２１号公報

このような装置において、ロータの貫通孔内で流体の流動を促進させる技術が求められている。

本発明の一態様において、工作機械の主軸構造は、回転可能な回転部を備える。回転部は、該回転部の軸方向一端に設けられる工具保持部、および、回転部を貫通して軸方向一端にて開口する貫通孔を有する。

また、主軸構造は、貫通孔に設けられる翼を備える。該翼は、回転部が回転するときに、該回転部とともに回転して貫通孔の内部に存在する流体を軸方向一端へ向かって流動させる。

翼は、貫通孔を画定する壁面の周方向へ整列するように複数配置されてもよい。主軸構造は、ステータと、該ステータの径方向内側に回転可能に配置され、回転部を構成するロータとを有する電動機を備えてもよい。ロータは、貫通孔を含んでもよい。

主軸構造は、主軸ハウジングと、該主軸ハウジングの内部に回転可能に配置され、回転部を構成する主軸ロータとを有する主軸装置を備えてもよい。主軸ロータは、軸方向一端および貫通孔を有してもよい。主軸構造は、翼を支持して貫通孔に取り付けられるリング部材をさらに備えてもよい。翼の表面には、凹部または凸部が形成されてもよい。

本発明の他の態様において、電動機は、ステータと、ステータの径方向内側に回転可能に配置されるロータとを備える。ロータの軸方向一端には加工工具が接続される。ロータは、該ロータを貫通して軸方向一端にて開口する貫通孔を有する。

また、電動機は、貫通孔に設けられる翼を備える。翼は、ロータが回転するときに、該ロータとともに回転して貫通孔の内部に存在する流体を軸方向一端へ向かって流動させる。

本発明のさらに他の態様において、工作機械は、上述の主軸構造、または、上述の電動機を備える。

本発明の一実施形態に係る主軸構造の側方図であって、主軸構造の一部を断面表示している。 図１の領域ＩＩを拡大した拡大断面図である。 図１の領域ＩＩＩを拡大した拡大断面図である。 図１に示す流体流動部材の斜視図である。 本発明の他の実施形態に係る主軸構造の側方図であって、主軸構造の一部を断面表示している。 本発明のさらに他の実施形態に係る主軸構造の側方図であって、主軸構造の一部を断面表示している。 本発明のさらに他の実施形態に係る主軸構造の側方図であって、主軸構造の一部を断面表示している。 本発明の他の実施形態に係る流体流動部材の斜視図である。 本発明のさらに他の実施形態に係る流体流動部材の側方断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。まず、図１〜図３を参照して、本発明の一実施形態に係る主軸構造１０について説明する。なお、以下の説明においては、軸方向とは、図中の軸線Ｏに沿う方向を示す。また、便宜上、図１の紙面下方を軸方向前方とする。また、径方向とは、軸線Ｏを中心とする円の半径方向を示し、周方向とは、軸線Ｏを中心とする円の円周方向を示す。

主軸構造１０は、ワークを加工する工作機械（図示せず）に具備される。主軸構造１０は、電動機１２および主軸装置１４を備える。電動機１２は、ステータ１６、ハウジング１８、およびロータ２０を有する。

ステータ１６は、軸方向に積層された複数の電磁鋼板から構成され、円筒状の内周面１６ａを有する。ステータ１６には、コイル２２が巻回されている。ハウジング１８は、ステータ１６の軸方向前端および軸方向後端に固定されている。ハウジング１８は、ステータ１６とともに、内部空間Ｓ_１を画定する。

ロータ２０は、ステータ１６の径方向内側に回転可能に配置されている。ロータ２０は、軸方向に延びる回転シャフト２４と、回転シャフト２４の径方向外側に固定されたロータコア２６とを有する。

回転シャフト２４は、軸線Ｏを中心軸線とする円形部材であって、軸方向に真直ぐ延在している。回転シャフト２４の中心部には貫通孔２８が形成されている。貫通孔２８は、該回転シャフト２４を軸方向に貫通する。

ロータコア２６は、円筒状の部材であって、回転シャフト２４を環囲するように配置されている。ロータコア２６には、周方向に並ぶ複数の磁石（図示せず）が内蔵されている。

ロータ２０の回転シャフト２４は、軸方向前側の軸受３０と、軸方向後側の軸受３２とによって、回転可能に支持されている。これら軸受３０および３２は、ハウジング１８に嵌着されている。

回転シャフト２４の軸方向後端は、回転継手３４に連結されている。回転継手３４は、回転シャフト２４の軸方向後端を、回転可能に受容する。回転継手３４には、回転シャフト２４の貫通孔２８と連通する貫通孔３６が形成されている。

回転継手３４には、流体供給管３８が連結されており、該流体供給管３８の内部は、貫通孔３６と連通している。この流体供給管３８は、主軸構造１０の外部に設置された流体供給装置（図示せず）に連結されている。

流体供給装置は、電動機１２および主軸装置１４を冷却するためのクーラント、または、ワークの加工中に発生する切り屑を吹き飛ばすための圧縮ガス等の流体を、流体供給管３８を介して、貫通孔３６の内部に供給する。

電動機１２は、電動ファン４０をさらに有する。電動ファン４０は、取付部材４２を介して、ステータ１６の軸方向後側に固定されている。電動ファン４０は、内部空間Ｓ_１内に気流を送り込み、これにより、ロータ２０およびステータ１６等の電動機１２の構成要素を冷却する。

主軸装置１４は、主軸ハウジング４４、支持ベース４６、および主軸ロータ４８を有する。主軸ハウジング４４は、筒状の部材であって、支持ベース４６に支持されている。主軸ハウジング４４の外周面には、冷媒を通過させるための溝４４ａが形成されている。

主軸ロータ４８は、主軸ハウジング４４の径方向内側に回転可能に配置されている。主軸ロータ４８は、スピンドル部５２および工具保持機構５４を有する。スピンドル部５２は、軸方向に延在する円筒状の部材である。スピンドル部５２は、複数の軸受５０を介して、主軸ハウジング４４の径方向内側に回転可能に支持されている。

工具保持機構５４は、スピンドル部５２の内部に収容されており、軸方向に真直ぐ延在している。工具保持機構５４は、その軸方向前端に工具保持部５４ａを有し、該工具保持部５４ａに、ワークを加工するための加工工具５６が取り付けられている。工具保持機構５４の中心部には、貫通孔５８が形成されている。貫通孔５８は、工具保持機構５４を軸方向に貫通し、工具保持機構５４の軸方向前端にて外部へ開口している。

ロータ２０の回転シャフト２４の軸方向前端は、カップリング６０に軸方向後側から連結されている。カップリング６０の中心部には、回転シャフト２４の貫通孔２８と連通する貫通孔６２が形成されている。

一方、主軸ロータ４８の工具保持機構５４の軸方向後端は、カップリング６０に軸方向前側から連結されている。工具保持機構５４の貫通孔５８は、カップリング６０の貫通孔６２と連通している。

このように、ロータ２０と主軸ロータ４８とは、カップリング６０を介して互い連結され、一体となって回転する。換言すれば、ロータ２０の軸方向前端には、カップリング６０および主軸ロータ４８を介して、加工工具５６が機械的に接続され、コイル２２に電圧が印加されたときにロータ２０に生じる回転力によって、加工工具５６が回転駆動される。

ここで、本実施形態においては、ロータ２０に形成された貫通孔２８、および、主軸ロータ４８に形成された貫通孔５８の内部に、複数の流体流動部材６４が配置されている。以下、図４を参照して、本実施形態に係る流体流動部材６４について説明する。

流体流動部材６４は、中央シャフト６６、リング部材６８、および複数の翼７０を有する。中央シャフト６６は、軸方向に延在する円柱状の部材であって、軸線Ｏを中心軸線とするように、配置される。

リング部材６８は、内周面６８ａと、該内周面６８ａとは反対側の外周面６８ｂとを有する、円筒状の部材である。リング部材６８は、中央シャフト６６を環囲するように、中央シャフト６６の径方向外側に配置されている。

翼７０の各々は、径方向に延在する薄い板であって、その径方向内側の端部が、中央シャフト６６の外周面６６ａに固定される一方、その径方向外側の端部が、リング部材６８の内周面６８ａに固定される。

翼７０の各々は、軸線Ｏに直交する平面に対して傾斜するように配置されている。本実施形態においては、計１０個の翼７０が、周方向に略等間隔で整列するように、配置されている。

流体流動部材６４は、例えば、焼き嵌め、冷やし嵌め、圧入による締り嵌め等によって、貫通孔２８、５８を画定する壁面に固定されている。このため、リング部材６８の外周面６８ｂは、貫通孔２８、５８を画定する壁面に押圧され、該壁面に対して移動不能に固定される。

したがって、ロータ２０および主軸ロータ４８が回転すると、貫通孔２８および５８にそれぞれ配置された流体流動部材６４は、ロータ２０および主軸ロータ４８とともに、一体となって回転する。

流体流動部材６４の翼７０は、流体流動部材６４が周方向一方に回転したときに、貫通孔２８、５８の内部に存在する流体を軸方向前方へ向かって流動させるように、配置されている。

次に、図１〜図４を参照して、主軸構造１０の機能について説明する。ワークを加工する場合、電動機１２のコイル２２に電圧が印加され、回転シャフト２４が周方向一方へ回転される。回転シャフト２４の回転力は、カップリング６０を介して、主軸装置１４の主軸ロータ４８に伝達される。

こうして、回転シャフト２４、カップリング６０、主軸ロータ４８は、一体となって回転する。このように、本実施形態においては、回転シャフト２４、カップリング６０、および主軸ロータ４８は、主軸構造１０の回転部７２を構成する。

工具保持機構５４に保持されている加工工具５６は、主軸ロータ４８とともに回転し、これにより、ワークＷを加工する。ワークＷの加工中に、流体供給装置は、流体供給管３８を介して、クーラントまたは圧縮ガス等の流体を、回転継手３４の貫通孔３６の内部に導入する。

貫通孔３６内に導入された流体は、回転シャフト２４の貫通孔２８、カップリング６０の貫通孔６２、および主軸ロータ４８の貫通孔５８を通過し、該貫通孔５８の軸方向前端の開口から、外部へ吐出される。

主軸構造１０の回転部７２が周方向一方へ回転するのに伴って、貫通孔２８および５８の内部に配置された複数の流体流動部材６４は、回転部７２と一体となって回転する。こうして、翼７０が周方向一方へ回転し、これにより、貫通孔２８および５８内で軸方向前方へ流れるように流体の圧力が高められ、軸方向前方へ向かう流体の流れを促進させる。

このように、本実施形態においては、主軸構造１０の回転部７２とともに回転する翼７０によって、軸方向前方へ流れるように流体の圧力を高めることができる。したがって、流体供給装置から供給される流体の供給圧力を、流体流動部材６４を設けない場合と比べて、より低い圧力に設定することができる。

何故ならば、流体の供給圧力を比較的低く設定したとしても、回転する翼７０によって流体の圧力が補強されるので、貫通孔５８の軸方向前端の開口から吐出される流体の圧力を、十分に維持することができるからである。

このように、流体の供給圧力を低く設定できることによって、回転継手３４に掛かる負担を低減し、以って、回転継手３４の寿命を延ばすことができる。また、回転継手３４の貫通孔３６から流体が外部へ漏出してしまうのを防止することができる。

また、本実施形態においては、流体流動部材６４のリング部材６８は、貫通孔２８、５８を画定する壁面に接触している。したがって、ロータ２０および主軸ロータ４８に蓄積された熱は、リング部材６８を介して、翼７０および中央シャフト６６へ伝達する。

そして、貫通孔２８および５８内を流動する流体によって、熱を効果的に抜熱することができる。このように、流体流動部材６４は、放熱要素としても機能するので、主軸構造１０の冷却能力を向上させることができる。

なお、上述した実施形態においては、ロータ２０の貫通孔２８、および、主軸ロータ４８の貫通孔５８の双方に、流体流動部材６４が設けられている場合について述べた。しかしながら、流体流動部材６４は、ロータ２０の貫通孔２８、および主軸ロータ４８の貫通孔５８のいずれか一方に設けられてもよい。

このような実施形態について、図５および図６を参照して説明する。なお、以下に説明する種々の実施形態において、既に述べた実施形態と同様の要素には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。

図５に示す主軸構造１０’においては、ロータ２０の貫通孔２８のみに、複数の流体流動部材６４が挿入されている。一方、図６に示す主軸構造１０”においては、主軸ロータ４８の貫通孔５８のみに、複数の流体流動部材６４が挿入されている。

これらの主軸構造１０’、１０”に関しても、回転部７２とともに回転する流体流動部材６４によって、貫通孔２８、５８内で軸方向前方へ向かう流体の流れを促進することができる。したがって、流体供給装置から供給される流体の供給圧力を、より低い圧力に設定することが可能である。

次に、図７を参照して、本発明のさらに他の実施形態に係る主軸構造８０について説明する。なお、以下の説明においては、便宜上、図７の紙面下方を軸方向前方とする。主軸構造８０は、電動機１２および主軸装置８２を備える。

主軸装置８２は、主軸ハウジング８４、支持ベース８６、および主軸ロータ８８を有する。主軸ハウジング８４は、筒状の部材であって、支持ベース８６に支持されている。主軸ハウジング８４の外周面には、冷媒を通過させるための溝８４ａが形成されている。

主軸ロータ８８は、主軸ハウジング８４の径方向内側に、複数の軸受９０を介して、回転可能に配置されている。また、主軸ロータ８８は、その軸方向後側において、軸受９２を介して、支持ベース８６に回転可能に支持されている。

主軸ロータ８８は、軸方向に真直ぐ延在し、その軸方向前端に工具保持部８８ａを有する。この工具保持部８８ａに、ワークを加工するための加工工具５６が取り付けられている。主軸ロータ８８の中心部には、貫通孔９４が形成されている。貫通孔９４は、主軸ロータ８８を軸方向に貫通し、主軸ロータ８８の軸方向前端にて外部へ開口している。

主軸ロータ８８の軸方向中央部には、歯車部９６が形成されている。一方、電動機１２の回転シャフト２４の軸方向前端には、歯車部９８が形成されている。主軸ロータ８８の歯車部９６と、回転シャフト２４の歯車部９８とは、歯車段１００を介して、互いに係合している。

したがって、電動機１２によって発生された回転力は、回転シャフト２４の歯車部９８、歯車段１００、および主軸ロータ８８の歯車部９６を介して、主軸ロータ８８に伝達される。こうして、主軸ロータ８８は、電動機１２によって発生された動力によって、回転駆動される。本実施形態においては、主軸ロータ８８は、主軸構造８０の回転部を構成する。

主軸ロータ８８の軸方向後端は、回転継手１０２に連結されている。回転継手１０２は、主軸ロータ８８の軸方向後端を、回転可能に受容する。回転継手１０２には、主軸ロータ８８の貫通孔９４と連通する貫通孔１０４が形成されている。

回転継手１０２には、流体供給管３８が連結されており、該流体供給管３８の内部は、貫通孔１０４と連通している。この流体供給管３８は、主軸構造８０の外部に設置された流体供給装置（図示せず）に連結されている。

流体供給装置は、主軸装置８２を冷却するためのクーラント、または、ワークの加工中に発生する切り屑を吹き飛ばすための圧縮ガス等の流体を、流体供給管３８を介して、貫通孔１０４の内部に供給する。

ここで、本実施形態においては、主軸ロータ８８に形成された貫通孔９４の内部に、上述の流体流動部材６４が複数配置されている。具体的には、流体流動部材６４は、例えば、焼き嵌め、冷やし嵌め、圧入による締り嵌め等によって、貫通孔９４を画定する壁面に固定されている。

これにより、流体流動部材６４のリング部材６８（図４）の外周面６８ｂは、貫通孔９４を画定する壁面に押圧され、該壁面に対して移動不能に固定される。このため、主軸ロータ８８が回転すると、貫通孔９４に配置された流体流動部材６４も、主軸ロータ８８と一体となって回転する。

本実施形態によれば、図１に示す実施形態と同様に、主軸ロータ８８とともに回転する流体流動部材６４の翼７０によって、貫通孔９４内で軸方向前方へ向かう流体の流れを促進することができる。したがって、流体供給装置から供給される流体の供給圧力を、より低い圧力に設定することができる。

次に、図８を参照して、本発明の他の実施形態に係る流体流動部材１１０について説明する。流体流動部材１１０は、流体流動部材６４の代替として、主軸構造１０、１０’、１０”、および８０に適用することができる。

流体流動部材１１０は、リング部材１１２および複数の翼１１４を有する。リング部材１１２は、軸線Ｏを中心軸線として有するように配置される円筒状の部材である。リング部材１１２は、内周面１１２ａと、該内周面１１２ａとは反対側の外周面１１２ｂとを有する。

翼１１４の各々は、リング部材１１２の内周面１１２ａから径方向内側へ向かって延出し、内周面１１２ａと軸線Ｏとの間の径方向位置で終端している。すなわち、流体流動部材１１０においては、軸線Ｏを含む中央領域は、如何なる部材も存在しない空洞となっている。

翼１１４の各々は、軸線Ｏに直交する平面に対して傾斜するように配置されている。本実施形態においては、計１０個の翼１１４が、周方向に略等間隔で整列するように、配置されている。

流体流動部材１１０は、上述の流体流動部材６４と同様に、例えば、焼き嵌め、冷やし嵌め、圧入による締り嵌め等によって、貫通孔２８、５８、９４を画定する壁面に固定されている。これにより、リング部材１１２の外周面１１２ｂは、貫通孔２８、５８、９４を画定する壁面に押圧され、該壁面に対して移動不能に固定される。

上述の実施形態と同様に、流体流動部材１１０の翼１１４は、該流体流動部材１１０が周方向一方に回転したときに、貫通孔２８、５８、９４の内部に存在する流体を軸方向前方へ向かって流動させるように、配置されている。

本実施形態に係る流体流動部材１１０によれば、回転する翼１１４によって貫通孔２８、５８、９４内において軸方向前方へ向かう流体の流れを促進することができる。その一方で、流体流動部材１１０の中央領域が空洞となっているので、貫通孔２８、５８、９４内における流体の流体抵抗が流体流動部材１１０に起因して上昇してしまうのを、抑えることができる。

次に、図９を参照して、本発明のさらに他の実施形態に係る流体流動部材６４’について説明する。流体流動部材６４’は、上述の流体流動部材６４と、翼７０の表面に形成された複数の凸部７０ａを有する点で、相違する。

具体的には、凸部７０ａは、翼７０の軸方向前方の端面および軸方向後方の端面から、それぞれ、軸方向前方および軸方向後方へ突出するように、形成されている。これら凸部７０ａは、放熱フィンとして機能し、翼７０の表面積を増大させ、これにより、流体流動部材６４’における放熱効果を高めることができる。

なお、上述の実施形態においては、翼７０、１１４が複数設けられている場合について述べた。しかしながら、これに限らず、翼は１個だけ設けられてもよい。この場合においても、流体の流れを促進する効果を得ることができる。

また、上述の実施形態においては、流体流動部材６４、６４’、１１０がリング部材６８、１１２を有し、翼７０、１１４がリング部材６８、１１２の内周面６８ａ、１１２ａに固定されている場合について述べた。しかしながら、これに限らず、リング部材６８、１１２を省略して、翼を、接着または溶接等によって、貫通孔２８、５８、９４を画定する壁面に直接に固定してもよい。

また、翼は、貫通孔２８、５８、９４を画定する壁面に対して、周方向に相対移動不能に設けられていればよく、例えば、貫通孔２８、５８、９４を画定する壁面に対して、軸方向に相対移動可能であってもよい。このような場合においても、翼は、主軸構造の回転部とともに回転することができるので、流体の流れを促進する効果を得ることができる。

また、翼は、回転することによって流体を流動させることができる限りにおいて、如何なる形状を有してもよい。また、図９に示す実施形態において、凸部７０ａの代替として、翼７０は、該翼７０の表面から内方へ凹む凹部を有してもよい。この場合においても、流体流動部材６４’の表面積を増大させ、以って、流体流動部材６４’における放熱効果を高めることができる。

以上、発明の実施形態を通じて本発明を説明したが、上述の実施形態は、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、本発明の実施形態の中で説明されている特徴を組み合わせた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得るが、これら特徴の組み合わせの全てが、発明の解決手段に必須であるとは限らない。さらに、上述の実施形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることも当業者に明らかである。

１０，１０’，１０”，８０ 主軸構造
１２ 電動機
１４，８２ 主軸装置
１６ ステータ
２０ ロータ
２８，５８，９４ 貫通孔
４４，８４ 主軸ハウジング
４８，８８ 主軸ロータ
６４，６４’，１１０ 流体流動部材
７０，１１４ 翼

Claims (8)

1. 工作機械の主軸構造であって、
   回転可能な回転部であって、該回転部の軸方向一端に設けられる工具保持部、および、前記回転部を貫通して前記軸方向一端にて開口する貫通孔を有する、回転部と、
   前記貫通孔に設けられる翼であって、前記回転部が回転するときに、該回転部とともに回転して前記貫通孔の内部に存在する流体を前記軸方向一端へ向かって流動させる、翼と、を備える、主軸構造。
2. 前記翼は、前記貫通孔を画定する壁面の周方向へ整列するように複数配置される、請求項１に記載の主軸構造。
3. ステータと、該ステータの径方向内側に回転可能に配置され、前記回転部を構成するロータと、を有する電動機を備え、
   前記ロータは、前記貫通孔を含む、請求項１または２に記載の主軸構造。
4. 主軸ハウジングと、該主軸ハウジングの内部に回転可能に配置され、前記回転部を構成する主軸ロータと、を有する主軸装置を備え、
   前記主軸ロータは、前記軸方向一端および前記貫通孔を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の主軸構造。
5. 前記翼を支持して前記貫通孔に取り付けられるリング部材をさらに備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載の主軸構造。
6. 前記翼の表面には、凹部または凸部が形成される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の主軸構造。
7. ステータと、
   前記ステータの径方向内側に回転可能に配置されるロータであって、該ロータの軸方向一端には加工工具が接続され、該ロータを貫通して前記軸方向一端にて開口する貫通孔を有する、ロータと、
   前記貫通孔に設けられる翼であって、前記ロータが回転するときに、該ロータとともに回転して前記貫通孔の内部に存在する流体を前記軸方向一端へ向かって流動させる、翼と、を備える、電動機。
8. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の主軸構造、または、請求項７に記載の電動機を備える、工作機械。

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