JP2899334B2 - 冷却型モータスピンドルをもった工作機械 - Google Patents

冷却型モータスピンドルをもった工作機械

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JP2899334B2 JP1338856A JP33885689A JP2899334B2 JP 2899334 B2 JP2899334 B2 JP 2899334B2 JP 1338856 A JP1338856 A JP 1338856A JP 33885689 A JP33885689 A JP 33885689A JP 2899334 B2 JP2899334 B2 JP 2899334B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ロータとステータを備え、スピンドル軸と
同軸のワークスピンドルに組み込んだメインモータと、
ガス状冷媒をメインモータ冷却面に供するための冷却装
置とからなる、モータスピンドルを有する工作機械に関
する。
〔従来の技術〕
モータスピンドルを有する工作機械の場合、メインモ
ーターとして使用されるのはとくに調節が可能な非同期
式の三相電流モータであるが、その理由はこのモータは
きわめて高負荷を受けることが多く、またその出力は広
い調整範囲にわたって定常化しているためである。この
種のモータスピンドルについては、メインモータの温度
安定性はとくに重要な要因となるが、その理由はメイン
モータ自身きわめて高精度のワークスピンドルの一成分
であり、温度変動があまりにも大であると、スピンドル
ハウジングの変形により精度が損われるためである。し
たがってモータスピンドル全体に対し、単独でも十分余
裕ある冷却を保証し、モータの運転操作とは無関係に、
必ず熱放散を十分に行わせ、モータの温度を設定希望値
以下に保つ必要がある。
〔発明が解決しようとする課題〕
一般に公知の工作機械においては山相電流モータは軸
方向にハウジングに沿って通過する空気流によりそのハ
ウジング周縁面だけで冷却が行われ、ステータの保有熱
はハウジングの熱伝導作用により除かれる。冷却効果を
高めるには、たとえばハウジングの冷却面をフィンまた
は二重ジャケットを使って増大させる。しかしこの冷却
方式では精度の高いモータスピンドルに対しては十分と
言えない。液体による冷却はこの種モータの冷却には唯
一の効果の高い方式であるが、経費がかかる上に実際問
題として冷却液の供給と除去については、致命的な難点
を抱えている。
したがって本発明の目的は、上記したような工作機械
を改良してモータスピンドルのメインモータの冷却を有
効かつ単純に実施できることにある。
〔課題を解決するための手段〕
この目的は、機械のフレームと、該機械のフレームに
回転可能に設けられたスピンドルドラムと、該スピンド
ルドラムに配置された複数のモータスピンドルとを備
え、各モータスピンドルはスピンドル軸と同軸にワーク
スピンドルに組込みのメインモータを備え、該メインモ
ータはロータと、ステータとを備え、さらに、ガス状冷
媒を該メインモータの冷却面に供給する冷却装置を備
え、該ステータは冷却面を形成する複数のステータプレ
ートからなり、該冷却面は該スピンドルドラムの軸の半
径方向に伸長する冷却チャンネルを構成し、該冷却装置
は該スピンドルドラムの外縁側に通じるチャンネルと、
該メインモータが取り巻く中央チャネルとを備え、該チ
ャンネルの一方はガス状冷媒を該スピンドルドラムに供
給し且つ他方はガス状冷媒を該スピンドルドラムから排
出することを特徴とする工作機械により達成される。
本発明の利点は、ステータプレート自身が冷却面を構
成することと、ステータから追加取付の冷却用ジャケッ
ト内冷却フィンに熱を伝達する型式のどのものより、一
層効果的な冷却効果を得ることとにある。
そして、数組のモータスピンドルをスピンドルドラム
中に配設し、スピンドルドラムは工作機械フレームに回
転とりつけすると一層よい効果が得られる。この場合、
据付面積が制限されるためたとえば６または８組のモー
タスピンドルのスピンドルドラム内での冷却が困難な際
には一層その効果が保証される。
冷却チャンネルをスピンドルドラムの半径方向に伸長
させると一層好都合であるが、その理由はこの場合ガス
状冷媒はスピンドルドラム軸の半径方向に注入すること
ができ、ガス状冷媒の送り込み装置によるスピンドルの
前後端部の損傷を避けたい場合、とくに好都合となるか
らである。また、スピンドルドラムの外縁部に設けたチ
ャンネル、およびメインモータで囲まれた中央チャンネ
ルにより、ガス状冷媒をスピンドルドラムに供給し、ま
たスピンドルドラムから排出する。こうして、メインモ
ータはすべて、これらのチャンネルを利用したとくに簡
単な方式でまとめて冷却でき、このチャンネルはスピン
ドルドラムの外縁部まで配設し、全メインモータに冷媒
を供給できる。中央チャンネルはスピンドルドラムの軸
方向に伸長させるとなお好都合である。
とくに冷却面を増大さすには、ステータプレートを不
等に半径方向に伸長させ、これにより冷却面を構成さす
のがきわめて好適なことが分かった。たとえばステータ
プレート自身任意の形状とし、冷却面を大きくでき、こ
の冷却面はステータプレート全体中にチャンネルを設け
るか、またはステータプレートにより面を構成さすかに
より得られる。本発明によれば、ことなるステータプレ
ートをことなる範囲にわたって半径方向に伸長させるか
んたんな方式で対策できる。従来の記載の実施例ではス
テータ上に設ける冷却面が規定されていない。前述のご
とく冷却面はステータプレート全体内でチャンネルによ
り構成できる。しかしモータから離隔した対向ステータ
外側に冷却面を突出させるステータプレートの配設によ
りとくに冷却をかんたんに達成できる。
ステータプレートに関して、この冷却面をもっとも簡
単に得る方法は、スピンドル軸に対し半径方向に伸長す
る冷却フィンを構成さすことである。
この冷却フィンは連結するステータプレートを不規則
な範囲内で半径方向に伸長させることにより、すなわち
ステータ・プレートが順次長短形状のもとに半径方向に
伸長し、この結果ステータの外側面上で大きな冷却面が
得られる形態とすることにより、きわめて簡単に得られ
る。たとえばステータプレートが交互にことなる直径を
有し大径のステータプレートに小径のステータプレート
が位置するごとく配設すると好都合である。
しかし冷却フィンの安定性を大きく高めまた冷却フィ
ン間に十分な隙間を持たせ、さらに冷却フィン間の空隙
部がごみで閉塞するのを防ぎ、かつ十分良好な流れ状態
とするには、冷却フィンをセット構成のステータプレー
トを用いこのセットを相互にことなる半径方向長に伸長
させると効果的である。このようにすれば同一半径方向
長を示すステータプレートの幾組かは一つのセットを構
成し、ことなる半径方向長を示すステータプレートの別
のセットがこれに続く配設となる。
この結果ステータプレート群の各セットは多数のこと
なる冷却フィン構造とすることができ、さらに特殊の場
合、スピンドル軸に対し冷却フィンはどの方向をも取り
得る。
なお、冷却フィンをスピンドル軸と横断方向を示す面
中で伸長する場合は、本発明の範囲内で一層簡単に実施
できる。この場合はたとえば交互に入れかわる径の同一
ステータプレートセットを継続して配設すればよい。
これまで示した実施例では冷却フィンを単に短かくす
ればよいか、またはステータの外側上で長く伸長した方
がよいかについては示されていなかった。とくに小型の
モータスピンドル設計を必要とする場合は、少くとも一
部をステータ周囲に伸長させる冷却チャンネルに対して
は、スピンドルを冷却フィン間に設け、ガス状冷媒がフ
ィンの全側面からステータ側に流入させぬことがのぞま
しい。ステータについてはある個所で、一部ステーター
周囲に伸長する冷却チャンネル中で循環できるガス状冷
媒により冷却させれば十分である。冷却チャンネルはど
の方向に伸長させてもよく、たとえば冷却チャンネルを
ステータまわりにらせん状またはジクザク形状に配設す
る方式も採用できる。しかしとくに合理的な方法は冷却
チャンネルをスピンドル軸の横方向に伸長する面内にと
りつけることである。この場合はステータ冷却用の冷却
剤をステータに対し横断方向に流すことができ、工作機
械でモータスピンドルを使用する場合きわめて好都合と
なる。
本発明でとくに好ましい実施態様としては、メインモ
ータ中の冷媒圧力が大気圧以上を示すごとく冷却装置を
設計することである。この場合は全体的に、メインモー
タへのごみ侵入が防止され、またたとえば冷却液ミスト
または冷却液自身のモータへの侵入も防がれる。
本発明による工作機械ではそのスピンドル軸受が大気
圧以上の冷媒の作用する作動部分に対向している場合が
とくにのぞましい。このスピンドル軸受はモータスピン
ドルのうち比較的微妙な部分に属するが、それは本質的
に作業面に接近している関係上、冷却液ミストまたは冷
却液自身もしくはその他のごみ粒子と接するおそれがき
わめて高く、その結果腐食を受けやすいか、何等からの
破損を受けやすくなるためである。このため、このスピ
ンドル軸受は、ごみおよび冷却液の侵入を防ぐ大気圧以
上の圧力下にある冷媒の接触から絶えず保護されている
のがのぞましい。
スピンドル軸受で支持されたスピンドルはたえず大気
圧以上の圧力下で冷媒と接触させ、この冷媒が両スピン
ドル軸受構成の場合でもごみおよび液の侵入を防止する
役割りを果し、さらにスピンドル自体の温度を補助調節
するごとく配慮すると最適である。
とくに冷媒の温度調節にあたり上記した実施例すべて
の冷却装置にメインモータに供給する冷媒用のクーラー
を設け、この冷媒を作動中の主モーター（群）に導入す
るに先き立ち希望温度まで予冷し、他方で主モータの冷
却面積を小さくさせ、逐次工作機械中にとりつけのメイ
ンモーターの構造を一層小型化させこの結果構造上の立
場からとくにスピンドルドラム内に数組のメインモータ
を配したすぐれた工作機械設計とすることがのぞまし
い。
さらに冷却装置にとって好ましい条件はこのものにフ
ァンをとりつけ強制気流を与えることである。ファンは
できれば機械フレーム中にとりつけメインモータとは別
個に配設・運転できるごとくし、この結果メインモータ
の回転速度と関係なく温度を調節するとよい。
スピンドルドラム中、数組のモータスピンドルを有す
る本発明による工作機械のすべての実施例で共通となる
問題点はスピンドルドラムが十分安定性を示すことにあ
るため、さらに効果的な手段は、前記冷却フィンが同時
にスピンドルドラム中でステータを保持させること、と
たがってこの点についてはまたとくに伸長、補助手段を
要しないことおよび他方ではまた、構造体すべての安定
性を確保することにある。
好ましい実施態様として、モータスピンドルのメイン
モータ用ステーターがその作動域で相互に隣接して冷却
フィンを備え、これにより相互の保持を保証し、スピン
ドルドラム中のステータの結合状態を改善させる方式が
挙げられる。この場合とくに好ましい方法はその作業域
で冷却フィンに対応した外周円形セグメントの一定半径
方向面を持たせることであり、上記円形セグメントの大
きさはスピンドル数により求める。たとえばモータスピ
ンドルが６および８の場合は、円形セグメントは1/6ま
たは1/8とする。
さらに好ましい態様は冷却フィンをスピンドルドラム
のフレームの役割りを果すケージの支持板上にとりつけ
ることである。
なおワークスピンドルがロータを保持しこの結果、と
くにステータに対しこのスピンドルがステータに対し回
転するロータを支えるようにすれば、構造的見地から本
発明の一層の改善策となる。ただしこの場合には当初指
摘のごとくメインモータの温度制御をきわめて巧妙に行
う必要がある。
次に添付図にもとづき本発明はさらにくわしく説明す
る。
〔実施例〕
本発明にもとづく工作機械を示す第１図において、多
軸自動旋盤10のフレーム12はスピンドルハウジング14と
コントロール装置ハウジング16とを備え、両ハウジング
間には作動領域18が設けられる。スピンドルドラム20は
スピンドルハウジング14に収容され、その前端面22が作
業領域18に対向位置する。スピンドルドラム20は数組の
（好ましくは６〜８）スピンドル24をとりつけ、このス
ピンドル24は前端面22より突出した前面26を有し、作業
領域18に対向している。
第２図では、さらに、このスピンドル24はモータスピ
ンドルとして設計配設され、このスピンドル24にメイン
モーター28を組込み、モータ中にはロータ32を備え、こ
のロータはスピンドルチューブ30上に固定させ、チュー
ブに伴って回転させる。さらにモータにはステータ36を
組み込み、これをスピンドルドラム20のフレーム34に固
定する。
スピンドルチューブ30はスピンドルドラム20のフレー
ム34中にある前方軸受38と後方軸受40により支持する。
フレーム34はスピンドルドラム20の軸42の周囲を回転で
きるごとくし、スピンドルドラム20はスピンドル24のス
ピンドル軸44に平衡に伸長させる。フレーム34の回転可
能なとりつけは、スピンドルドラム20の円筒面46を利用
して行い、この円筒面は軸42と同軸とし、同じくこれと
同軸のスピンドルハウジング14中の凹設部48で保持させ
る。
軸42と同軸の供給パイプ50はフレーム34上に保持さ
れ、相伴って回転する。供給パイプ50はスピンドルドラ
ム20の端面22から突出させ、作業領域18を越してコント
ロール装置ハウジング16内に伸長させる。たとえば電線
のごときメインモータ28用の供給コントロール線はこの
供給パイプ50を経由させる。
第３図では、ロータ32は前後にとりつけした複数のロ
ータプレート52の構成とし、僅かの空隙58をロータ52の
外周部54と、対向のステータ36の内側面56間に設ける。
ステータ36も同様に、スピンドル軸44方向に前後にと
りつけした複数のステータプレート60から成る。ステー
タプレート60はスピンドル軸44に直角方向にほぼ配設さ
れ、ロータ32の周囲に伸長させる。
ステータ36を発明技術により最適冷却させるには、前
後とりつけしたステータプレート60を一次セット62およ
び二次セット64と組み合わせ、このセット群はスピンド
ル軸44方向に前後、交互にとりつける。
一次セット62では、ステータプレート60をスピンドル
軸44の半径方向にステータ36の内側面56から伸長させ、
その外縁部66でスピンドル軸44と同軸の円筒状外側冷却
面68を形成させる。
二次セット64も同要領でステータプレート60をステー
タ36の内側面56から伸長させるが、第一セット62の外側
冷却面68の外に延長し、その外縁部70で外形形状72を構
成させ、この外形形状72をスピンドルドラム20の特定寸
法に適合させる。外形形状72は、スピンドルドラム20の
軸42に対し半径方向外側に位置する外周域74を有し、こ
の外周域74を円筒面46に適合させ、第二セット64の外形
形状72がスピンドルドラム20の外に突出せぬごとくす
る。外形形状72は外周域74の両側に保持域76を有し、第
二セット64はこの保持域76でフレーム34の支持板78に寄
りかかり、この支持板78は概して三角形形状とし、軸42
と平行に伸長する。支持板78はそれぞれ二組のメインモ
ータ28間に設け、一緒になってケージを構成し、このケ
ージによりスピンドルドラム20の周縁域においてメイン
モータ28を支える。外形形状72は保持域76と隣接して軸
42に対し半径方向内側に半径方向域80を有し、内周域82
が外形形状72の二つの半径方向域80を合体し、中央チャ
ンネル84を構成する。内周域82はできれば軸42と同軸に
ある円筒面のセグメントを構成するごとく設計する。
隣接メインモータの二次セット64は半径方向域80で相
互に寄りかかり、したがってまた交互に支持し合う。
この結果、第４図では、ステータプレート60の二次セ
ット64の外形形状72は一方ではスピンドルドラム20のフ
レーム34上の支持板78で形成されるケージ上に各メイン
モータのステータ36の取りつけ役を果し、他方では相互
に半径方向域80内での支持役となり、その結果第４図で
示す合計６組のステータ36がスピンドルドラム20内に堅
牢安定した装置を形成する。
なお、二次セット64は一次セット62の外側冷却面68の
半径方向外方に伸長する構造であるため、ステータプレ
ート60の二次セットの突出部分により複数の冷却フィン
86が構成され、このフィン自体は複数の冷却チャンネル
88を形成し、このチャンネル88は冷却フィン86間に位置
するとともに一次セット62の外側冷却面68で形状設定さ
れる。冷却チャンネル88は一次セット62の外側冷却面68
の周辺に軸42と直角にすわる面内を軸42に対し半径方向
内方に外周域74から中央チャンネル84に向けて伸長し、
よってステータ36でかこんだロータ32の全周のまわりに
伸長する。
とくに第２図から分かるごとく、外周域74と係合する
スピンドルハウジング14の部分90は、二次セット64の外
形形状72の外周域74から引っこめて設け、外周域74と部
分90間に空隙チャンネル92を形成し、これはスピンドル
ドラム20の周囲に沿って伸長する。この空隙チャンネル
92はフレーム12の底部に設けたファン96からスピンドル
ハウジング14へ延長された空気導入チャンネル94に開口
する。このチャンネルは空気導入チャンネル94と空隙チ
ャンネル92間転換部直前に、ファン96からの送入空気用
クーラ98をとりつけ、空隙チャンネル92中への送入空気
を冷却させる。この冷却空気をスピンドルドラム20周辺
の空隙チャンネル92内に吹込み、スピンドルドラム20の
軸42に対し、中央チャンネル84に向け、半径方向内方へ
伸長の冷却チャンネル88に上記空気を導入させ、この中
央チャンネルから第２図に示すごとく開口部100を会し
て供給パイプ50に空気を送入し、ついで、供給パイプ50
を経てコントロール装置ハウジング16方向に空気を送り
出す。空気はできればコントロール装置ハウジング16に
設けた供給パイプ50の端部102で集積させ、ファン96に
送気し、最終形態として全メインモータ28のステータ36
を効果的に冷却できる冷却空気回路を形成させる。
本発明によるメインモータ28の冷却はできれば大気圧
以上のガス状冷却剤を用いて行い、各スピンドル24の圧
力が、軸受38,40、とくに作業領域18に面した前方軸受3
8中にごみおよび冷却液の侵入を効果的に防止するごと
く大気圧以上とすることがのぞましい。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明による工作機械の一例を示す多軸旋盤の
全体斜視図、第２図は第１図中線２−２方向からの断面
図、第３図は第２図中Ａの部分の詳細図、第４図は第２
図中線４−４方向からの断面図である。 12……フレーム、14……スピンドルハウジング、16……
コントロール装置ハウジング、24……スピンドル、28…
…メインモータ、32……ロータ、36……ステータ、60…
…ステータプレート、68,86……冷却面、84,88,92……
チャンネル。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヘルムート フリードリッヒ リンク ドイツ連邦共和国，7307 アイヒバルト １ オーベレ ブルクシュトラーセ 43 (56)参考文献 特開 昭61−42264（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−33967（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−16183（ＪＰ，Ａ) 実開 昭58−159850（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭51−19192（ＪＰ，Ｂ２) 実公 昭７−14873（ＪＰ，Ｙ１) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H02K 9/00 - 9/28

Claims (20)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】機械のフレーム（12）と、 該機械のフレームに回転可能に設けられたスピンドルド
    ラム（20）と、 該スピンドルドラムに配置された複数のモータスピンド
    ル（24）とを備え、各モータスピンドルはスピンドル軸
    と同軸にワークスピンドルに組込みのメインモータ（2
    8）を備え、該メインモータはロータ（32）と、ステー
    タ（36）とを備え、 さらに、ガス状冷媒を該メインモータの冷却面（68,8
    6）に供給する冷却装置を備え、 該ステータ（36）は冷却面（68,86）を形成する複数の
    ステータプレート（60）からなり、該冷却面は該スピン
    ドルドラムの軸（42）の半径方向に伸長する冷却チャン
    ネル（88）を構成し、 該冷却装置は該スピンドルドラム（20）の外縁側に通じ
    るチャンネル（92）と、該メインモータ（28）が取り巻
    く中央チャネル（84）とを備え、該チャンネル（84,9
    2）の一方はガス状冷媒を該スピンドルドラム（20）に
    供給し且つ他方はガス状冷媒を該スピンドルドラム（2
    0）から排出することを特徴とする工作機械。
  2. 【請求項２】該ステータプレート（60）を不等に該スピ
    ンドル軸（44）の半径方向に伸長させ、冷却面（68,8
    6）を構成することを特徴とする請求項１に記載の工作
    機械。
  3. 【請求項３】ことなるステータプレート（60）を不等に
    半径方向に伸長させることを特徴とする請求項２に記載
    の工作機械。
  4. 【請求項４】該ステータプレート（60）を該ロータ（3
    2）と離隔して対向する該ステータ（36）の外側上で冷
    却面（68,86）を形成させることを特徴とする請求項１
    からのいずれかに記載の工作機械。
  5. 【請求項５】該ステータプレート（60）が該スピンドル
    軸（44）に対し半径方向に伸長する冷却フィン（86）を
    形成することを特徴とする請求項２から４のいずれかに
    記載の工作機械。
  6. 【請求項６】該冷却フィン（86）を不等に半径方向に伸
    長させた連続ステータプレート（60）で構成することを
    特徴とする請求項５に記載の工作機械。
  7. 【請求項７】該冷却フィン（86）を相互に不等に半径方
    向に伸長するセット（62,64）を形成する連続ステータ
    プレート（60）で構成さすことを特徴とする請求項６に
    記載の工作機械。
  8. 【請求項８】該冷却フィン（86）は該スピンドル軸（4
    4）の横方向に伸長する面内に延びることを特徴とする
    請求の範囲５から７のいずれかに記載の工作機械。
  9. 【請求項９】該ステータ（36）の周囲の少くとも一部に
    伸長させた冷却チャンネル（88）を該冷却フィン（86）
    間に設けることを特徴とする請求項５から８のいずれか
    に記載の工作機械。
  10. 【請求項１０】該冷却装置を該メインモータ（28）内の
    冷媒が大気圧以上を示す設計とすることを特徴とする請
    求項１から９のいずれかに記載の工作機械。
  11. 【請求項１１】作業領域（18）に対向するスピンドル軸
    受（38）が大気圧以上の冷媒のもとに作動することを特
    徴とする請求項10に記載の工作機械。
  12. 【請求項１２】スピンドル軸受（38,40）を有する該ス
    ピンドル（24）が大気圧以上の冷媒のもとに作動するこ
    とを特徴とする請求項11に記載の工作機械。
  13. 【請求項１３】該冷却装置に該メインモータ（28）に供
    給する冷媒用クーラ（98）を設けることを特徴とする請
    求項１から12のいずれかに記載の工作機械。
  14. 【請求項１４】該冷却装置にファン（96）を設けること
    を特徴とする請求項１から13のいずれかに記載の工作機
    械。
  15. 【請求項１５】該ファン（96）を該工作機械のフレーム
    （12）中に設けることを特徴とする請求項14に記載の工
    作機械。
  16. 【請求項１６】該スピンドルドラム（20）の外縁側に通
    じる該チャンネル（92）が該スピンドルドラムの外縁側
    を囲むことを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
  17. 【請求項１７】該中央チャンネル（84）を該スピンドル
    ドラム（20）の前記軸（42）の方向に伸長さすことを特
    徴とする請求項１または16に記載の工作機械。
  18. 【請求項１８】該冷却フィン（86）を同時に該スピンド
    ルドラム（20）内で該ステータ（36）の保持に利用する
    ことを特徴とする請求項５から８のいずれかに記載の工
    作機械。
  19. 【請求項１９】該モータスピンドル（24）のメインモー
    タ（28）の該ステータ（36）の冷却フィン（86）はフィ
    ンの領域内において互いによりかかることを特徴とする
    請求項18に記載の工作機械。
  20. 【請求項２０】該ワークスピンドル（24）が該ロータ
    （32）を備えることを特徴とする請求項１から19のいず
    れかに記載の工作機械。
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