(57)【要約】【課題】多相リアクトルと電動機とを一体化することで、工作機械の小型化および低コスト化に有利なスピンドルモータおよび主軸装置を提供する。【解決手段】スピンドルモータ１０は、回転軸１２と、回転軸１２の周囲に設けられた電動機１４と、電動機１４とは異なる位置で回転軸１２の周囲に設けられた多相リアクトル１６と、回転軸１２、電動機１４、および、多相リアクトル１６を覆ったハウジング１８と、電動機１４、および、多相リアクトル１６を冷却するためにハウジング１８に設けられた冷媒経路４２と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸と、
前記回転軸の周囲に設けられた電動機と、
前記電動機とは異なる位置で前記回転軸の周囲に設けられた多相リアクトルと、
前記回転軸、前記電動機、および、前記多相リアクトルを覆ったハウジングと、
前記電動機、および、前記多相リアクトルを冷却するために前記ハウジングに設けられた冷媒経路と、
を備え、
前記電動機は、
前記回転軸に取り付けられた回転子、該回転子の外周に間隔をおいて前記ハウジングに取り付けられた固定子、および、該固定子に巻回された第１コイルを有し、
前記多相リアクトルは、
前記回転軸の周囲に設けられた第１鉄心、該第１鉄心の外周に間隔をおいて設けられた第２鉄心、および、該第１鉄心ならびに該第２鉄心の少なくとも一方に巻回され、且つ、前記第１コイルと電気的に接続された第２コイルを有し、
前記第１鉄心および前記第２鉄心のうち、前記第２コイルが巻回される少なくとも一方は前記ハウジングに取り付けられる、スピンドルモータ。
【請求項２】
請求項１に記載のスピンドルモータであって、
前記第２鉄心は、前記回転軸と同心の環状部、および前記第２鉄心の該環状部から前記第１鉄心の方向に向かって突出した複数の突出部を有し、
前記第２コイルは、前記第２鉄心の複数の前記突出部の各々に巻回されている、スピンドルモータ。
【請求項３】
請求項２に記載のスピンドルモータであって、
前記第１鉄心は、前記回転軸に取り付けられている、スピンドルモータ。
【請求項４】
請求項２に記載のスピンドルモータであって、
前記第１鉄心は、前記ハウジングに取り付けられている、スピンドルモータ。
【請求項５】
請求項２〜４のいずれか１項に記載のスピンドルモータであって、
前記第１鉄心の形状は、前記回転軸と同心の環状である、スピンドルモータ。
【請求項６】
請求項４に記載のスピンドルモータであって、
前記第１鉄心は、前記回転軸と同心の環状部、および前記第２鉄心の複数の前記突出部の各々と向かい合う複数の突出部を有し、
前記第２コイルは、前記第１鉄心の複数の前記突出部の各々、および、前記第２鉄心の複数の前記突出部の各々に巻回されている、スピンドルモータ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のスピンドルモータであって、
前記回転子は、前記第１鉄心と同じ形状を有する、スピンドルモータ。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載のスピンドルモータであって、
前記固定子は、前記第２鉄心と同じ形状を有する、スピンドルモータ。
【請求項９】
請求項１に記載のスピンドルモータであって、
前記第１鉄心は、前記回転軸と同心の環状部、および前記第１鉄心の該環状部から前記第２鉄心の方向に向かって突出した複数の突出部を有し、
前記第２鉄心の形状は、前記回転軸と同心の環状であり、
前記第２コイルは、前記第１鉄心の複数の前記突出部の各々に巻回されている、スピンドルモータ。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載のスピンドルモータであって、
前記第１コイルおよび前記第２コイルは、同一の線材である、スピンドルモータ。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載のスピンドルモータを備えた、主軸装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械に用いられるスピンドルモータおよび主軸装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械において、例えば主軸装置に用いられるスピンドルモータは、内部に備わった電動機の固定子側のコイルに電流を流すことで、電動機の回転子を取り付けた回転軸が回転する。このとき、例えば回転軸の回転速度を安定させることや発熱低減を目的として、電流中のリップル成分を抑制する多相リアクトルが外部からスピンドルモータに接続されることがある。下記の特許文献１は、多相リアクトルの一例を開示した文献である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−１０３２６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
スピンドルモータ内の電動機、およびスピンドルモータ外の多相リアクトルは、スピンドルモータの稼働中に高温となるため、それぞれを冷却することが好ましい。冷却の手法としては、常温空気下で自然に放熱させる「自然空冷」と、冷媒を強制的に供給することで冷却する「強制冷却」とがあり、スピンドルモータ内の電動機に関しては、スピンドルモータ内に冷媒経路を設けることで強制冷却することが一般的である。
【０００５】
しかしながら、スピンドルモータ外の多相リアクトルに関しては、自然空冷が一般的であるが、自然空冷で冷却しようとする場合、対象の表面積が大きいほど放熱に有利であることから、多相リアクトルを大型にしなければならない。一方、強制冷却で冷却しようとする場合、多相リアクトルに冷媒を供給する装置等（冷却機構）をスピンドルモータ外に別途で設ける必要がある。したがって、工作機械を構成する多相リアクトルは、工作機械の小型化および低コスト化に不利である。
【０００６】
そこで、本発明は、多相リアクトルと電動機とを一体化することで、工作機械の小型化および低コスト化に有利なスピンドルモータおよび主軸装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明は、スピンドルモータであって、回転軸と、前記回転軸の周囲に設けられた電動機と、前記電動機とは異なる位置で前記回転軸の周囲に設けられた多相リアクトルと、前記回転軸、前記電動機、および、前記多相リアクトルを覆ったハウジングと、前記電動機、および、前記多相リアクトルを冷却するために前記ハウジングに設けられた冷媒経路と、を備え、前記電動機は、前記回転軸に取り付けられた回転子、該回転子の外周に間隔をおいて前記ハウジングに取り付けられた固定子、および、該固定子に巻回された第１コイルを有し、前記多相リアクトルは、前記回転軸の周囲に設けられた第１鉄心、該第１鉄心の外周に間隔をおいて設けられた第２鉄心、および、該第１鉄心ならびに該第２鉄心の少なくとも一方に巻回され、且つ、前記第１コイルと電気的に接続された第２コイルを有し、前記第１鉄心および前記第２鉄心のうち、前記第２コイルが巻回される少なくとも一方は前記ハウジングに取り付けられる。
【０００８】
第２の発明は、主軸装置であって、第１の発明のスピンドルモータを備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、電動機とともに多相リアクトルがハウジング内に設けられる。また、この多相リアクトルは、電動機と共通の冷媒経路によって、共通の冷媒で冷却される。したがって、多相リアクトルのための冷却機構を別途で設ける必要がない。よって、本発明のスピンドルモータおよび主軸装置は、工作機械の小型化および低コスト化に有利である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態の主軸装置の断面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ断面図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。
【図４】変形例１の主軸装置の断面図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ断面図である。
【図６】変形例２の多相リアクトルの断面図である。
【図７】変形例３の多相リアクトルの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明のスピンドルモータおよび主軸装置について、好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら以下、詳細に説明する。
【００１２】
［実施の形態］
図１は、実施の形態の主軸装置ＭＳの断面図である。
【００１３】
本実施の形態の工作機械の主軸装置ＭＳのスピンドルモータ１０は、回転軸１２、回転軸１２の周囲に設けられた電動機１４、電動機１４とは異なる位置で回転軸１２の周囲に設けられた多相リアクトル１６、および、これらを覆ったハウジング１８を有する。
【００１４】
図２は、図１のＩＩ−ＩＩ断面図である。なお、図１は、図２および図３のＩ−Ｉ断面図である。
【００１５】
電動機１４は、回転子２０、回転子２０の外周に間隔をおいて設けられた固定子２２、および固定子２２に巻回された第１コイル２４を有する。図２のように、回転子２０は、回転軸１２と同心の概ね環状であって、導体２６（例えば、アルミや銅）が埋め込まれており、回転軸１２に取り付けられている。固定子２２は、回転軸１２と同心の環状部２２ａ、および該環状部２２ａから回転子２０の方向に向かって突出した複数の突出部２２ｂを有する。この固定子２２は、ハウジング１８に取り付けられている。
【００１６】
固定子２２に巻回された第１コイル２４は、より詳細には、固定子２２の突出部２２ｂの各々に巻回されており、多相リアクトル１６を介してスピンドルモータ１０外の交流電源（不図示）と電気的に接続されている。なお、図２に示されたように、本実施の形態では、固定子２２の突出部２２ｂの数を３としている。
【００１７】
以上の電動機１４を備えたスピンドルモータ１０では、多相リアクトル１６を介して交流電源から第１コイル２４に電流を流すことで、導体２６（回転子２０側）に誘導電流を流す。これにより、導体２６（回転子２０側）と第１コイル２４（固定子２２側）との間に電磁誘導に由来した回転力（トルク）を発生させ、回転子２０および回転軸１２を回転させることができる。
【００１８】
図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。
【００１９】
多相リアクトル１６は、第１鉄心３０、第１鉄心３０の外周に間隔をおいて設けられた第２鉄心３２、および、第２鉄心３２に巻回された第２コイル３４を有する。図３のように、本実施の形態においては、第１鉄心３０および第２鉄心３２の各々は、回転子２０および固定子２２の各々と形状が共通化されている。すなわち、第１鉄心３０は、回転軸１２と同心の概ね環状であって、回転軸１２に取り付けられている。したがって、回転軸１２が回転するとき、第１鉄心３０は回転軸１２とともに回転する。また、第２鉄心３２は、回転軸１２と同心の環状部３２ａ、および該環状部３２ａから第１鉄心３０の方向に向かって突出した複数の突出部３２ｂを有しており、回転軸１２とともに回転しないようにハウジング１８に取り付けられている。したがって、回転軸１２が回転したとしても、第２鉄心３２は回転しない。第２鉄心３２の突出部３２ｂの数は、固定子２２と同様に３である。
【００２０】
第２鉄心３２に巻回された第２コイル３４は、より詳細には、第２鉄心３２の突出部３２ｂの各々に巻回され、第１コイル２４およびスピンドルモータ１０外の交流電源（不図示）と電気的に接続される。このように交流電源、第１コイル２４、および第２コイル３４の各々を接続したことにより、多相リアクトル１６および配線２８ａ、２８ｂを介して交流電源から電動機１４に電流を流すことができる。このとき、多相リアクトル１６を介していることで、電動機１４に流れる電流のリップル成分が抑制され、回転軸１２の回転速度が安定する。なお、第１鉄心３０は、形状は回転子２０と共通であるが、導体２６が埋め込まれていないという点では回転子２０と相違する。したがって、多相リアクトル１６自体は、電動機１４が発生させるほどの大きい回転力を回転軸１２に発生させない。
【００２１】
回転軸１２と、回転軸１２の周りに設けられた電動機１４および多相リアクトル１６とは、上述のとおり、ハウジング１８に覆われている。図１のように、本実施の形態のハウジング１８は、回転軸１２、電動機１４、多相リアクトル１６を覆うとともに溝部３６が形成された内装壁１８ａと、内装壁１８ａおよび溝部３６を覆う外装壁１８ｂとを備えた二重構造を有する。外装壁１８ｂは、溝部３６と外部空間とを繋ぐ２つの開口部（冷媒入口３８および冷媒出口４０）を有する。これにより、外装壁１８ｂと溝部３６とで形成される空間を、電動機１４および多相リアクトル１６を冷却するための冷媒経路４２として利用することができる。この冷媒経路４２（溝部３６）の順路は、図１では簡略化されているが、冷媒入口３８から冷媒出口４０にわたって回転軸１２を中心に概ね螺旋を描くように形成されている。なお、冷媒経路４２の順路は螺旋状に限定されず、適宜変更されてもよい。
【００２２】
冷媒は、冷媒入口３８から冷媒出口４０に向かって冷媒経路４２内を流動しつつ、内装壁１８ａを介した熱交換によって電動機１４（固定子２２）および多相リアクトル１６（第２鉄心３２）を冷却する。なお、使用する冷媒は、特に限定されないが、熱輸送効率の観点からは液体冷媒（水や油）であることが好ましい。
【００２３】
以上、本実施の形態のスピンドルモータ１０の構成について説明した。本実施の形態では、多相リアクトル１６がスピンドルモータ１０のハウジング１８内に設けられており、しかも、電動機１４と共通の冷媒によって強制冷却される。したがって、多相リアクトル１６に冷媒を供給する装置等を別途で設ける必要がなくなる。また、自然空冷のために多相リアクトル１６の表面積を大きくする必要もない。よって、本実施の形態のスピンドルモータ１０は、工作機械の小型化および低コスト化に有利である。
【００２４】
本実施の形態では、第２コイル３４が巻回される第２鉄心３２をハウジング１８に取り付けた。したがって、第２鉄心３２は回転軸１２とともに回転しない。これにより、第１コイル２４、第２コイル３４、および配線２８ａ、２８ｂが回転軸１２の回転中に絡まったり断線してしまうおそれが低減される。
【００２５】
本実施の形態では、回転子２０と第１鉄心３０との各々、および、固定子２２と第２鉄心３２との各々について、形状を共通化した。これにより、例えば、製造段階において、回転子２０の部品を第１鉄心３０の部品として流用すること、固定子２２の部品を第２鉄心３２の部品として流用することができる。また、本実施の形態では、回転子２０と第１鉄心３０との各々、および、固定子２２と第２鉄心３２との各々について、回転軸１２またはハウジング１８への取り付けられ方も共通化した。これにより、スピンドルモータ１０の製造工程が複雑化することが抑制される。
【００２６】
なお、本実施の形態の多相リアクトル１６は三相であるが、多相リアクトル１６は三相に限定されるものではない。例えば、多相リアクトル１６は六相であってもよい。
【００２７】
［変形例］
以上、本発明の一例として実施の形態が説明されたが、上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることはもちろんである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【００２８】
（変形例１）
図４は、変形例１の主軸装置ＭＳの断面図である。図５は、図４のＶ−Ｖ断面図である。なお、図４は図５のＩＶ−ＩＶ断面図である。
【００２９】
例えば、第１鉄心３０は、ハウジング１８に取り付けられてもよい。図４および図５のように、本変形例では、環状の第１鉄心３０は、回転軸１２の外周に間隔をおいて、回転軸１２とともに回転しないようにハウジング１８に取り付けられる。
【００３０】
（変形例２）
図６は、変形例２の多相リアクトル１６の断面図である。
【００３１】
例えば、第２コイル３４は、第１鉄心３０に巻回されてもよい。実施の形態では、第２コイル３４を第２鉄心３２に巻回した。本変形例では、図６のように、第１鉄心３０が、回転軸１２と同心の環状部３０ａ、および該環状部３０ａから第２鉄心３２の方向に向かって突出した複数の突出部３０ｂを有する。そして、第２コイル３４を、第１鉄心３０の突出部３０ｂの各々に巻回する。このようにして、多相リアクトル１６を形成してもよい。なお、本変形例の第１鉄心３０は、ハウジング１８に取り付けられているものとする。
【００３２】
（変形例３）
図７は、変形例３の多相リアクトル１６の断面図である。
【００３３】
例えば、第２コイル３４は、第１鉄心３０と第２鉄心３２との両方に巻回されてもよい。上記の実施の形態および変形例１、２では、第１鉄心３０および第２鉄心３２のいずれか一方に第２コイル３４を巻回した。本変形例では、変形例１、２を組み合わせ、図７のように、第１鉄心３０と第２鉄心３２との両方に第２コイル３４を巻回する。このとき、第１鉄心３０の突出部３０ｂの各々は、第２鉄心３２の突出部３２ｂの各々と向かい合うことが好ましい。このようにして、多相リアクトル１６を形成してもよい。なお、本変形例の第１鉄心３０も、ハウジング１８に取り付けられているものとする。
【００３４】
（変形例４）
実施の形態では、回転子２０と第１鉄心３０との各々、および、固定子２２と第２鉄心３２との各々の形状を共通化した。例えば、回転子２０と第１鉄心３０との各々、および、固定子２２と第２鉄心３２との各々の形状は、異なっていてもよい。
【００３５】
（変形例５）
例えば、第１コイル２４と第２コイル３４とは、同一の線材であってもよい。第１コイル２４と第２コイル３４とを一つの線材で形成する場合は、配線２８ａを別途で設けることが不要となる。
【００３６】
（変形例６）
実施の形態では、導体２６（回転子２０側）と第１コイル２４（固定子２２側）との間に電磁誘導由来の回転力を発生させた。例えば、導体２６に換えて、磁石を回転子２０に埋め込んでもよい。これによっても、回転子２０と固定子２２との間に回転力を発生させることができる。
【００３７】
（変形例７）
上記の実施の形態および変形例は、矛盾の生じない範囲で適宜組み合わされてもよい。
【００３８】
［実施の形態から得られる発明］
上記実施の形態および変形例から把握しうる発明について、以下に記載する。
【００３９】
＜第１の発明＞
第１の発明は、スピンドルモータ（１０）であって、回転軸（１２）と、前記回転軸（１２）の周囲に設けられた電動機（１４）と、前記電動機（１４）とは異なる位置で前記回転軸（１２）の周囲に設けられた多相リアクトル（１６）と、前記回転軸（１２）、前記電動機（１４）、および、前記多相リアクトル（１６）を覆ったハウジング（１８）と、前記電動機（１４）、および、前記多相リアクトル（１６）を冷却するために前記ハウジング（１８）に設けられた冷媒経路（４２）と、を備え、前記電動機（１４）は、前記回転軸（１２）に取り付けられた回転子（２０）、該回転子（２０）の外周に間隔をおいて前記ハウジング（１８）に取り付けられた固定子（２２）、および、該固定子（２２）に巻回された第１コイル（２４）を有し、前記多相リアクトル（１６）は、前記回転軸（１２）の周囲に設けられた第１鉄心（３０）、該第１鉄心（３０）の外周に間隔をおいて設けられた第２鉄心（３２）、および、該第１鉄心（３０）ならびに該第２鉄心（３２）の少なくとも一方に巻回され、且つ、前記第１コイル（２４）と電気的に接続された第２コイル（３４）を有し、前記第１鉄心（３０）および前記第２鉄心（３２）のうち、前記第２コイル（３４）が巻回される少なくとも一方は前記ハウジング（１８）に取り付けられる。
【００４０】
これにより、多相リアクトル（１６）は、電動機（１４）と共通の冷媒経路（４２）によって、共通の冷媒で冷却される。したがって、多相リアクトル（１６）のための冷却機構を別途で設ける必要がない。よって、本発明のスピンドルモータ（１０）は、工作機械の小型化および低コスト化に有利である。
【００４１】
前記第２鉄心（３２）は、前記回転軸（１２）と同心の環状部（３２ａ）、および前記第２鉄心（３２）の該環状部（３２ａ）から前記第１鉄心（３０）の方向に向かって突出した複数の突出部（３２ｂ）を有し、前記第２コイル（３４）は、前記第２鉄心（３２）の複数の前記突出部（３２ｂ）の各々に巻回されてもよい。
【００４２】
前記第１鉄心（３０）は、前記回転軸（１２）に取り付けられてもよい。これにより、第１鉄心（３０）は、回転軸（１２）とともに回転する。
【００４３】
前記第１鉄心（３０）は、前記ハウジング（１８）に取り付けられてもよい。これにより、第１鉄心（３０）は、回転軸（１２）とともに回転しない。
【００４４】
前記第１鉄心（３０）の形状は、前記回転軸（１２）と同心の環状であってもよい。
【００４５】
前記第１鉄心（３０）は、前記回転軸（１２）と同心の環状部（３０ａ）、および前記第２鉄心（３２）の複数の前記突出部（３２ｂ）の各々と向かい合う複数の突出部（３０ｂ）を有し、前記第２コイル（３４）は、前記第１鉄心（３０）の複数の前記突出部（３０ｂ）の各々、および、前記第２鉄心（３２）の複数の前記突出部（３２ｂ）の各々に巻回されてもよい。このようにして、多相リアクトル（１６）を形成してもよい。
【００４６】
前記回転子（２０）は、前記第１鉄心（３０）と同じ形状を有してもよい。これにより、例えば、製造段階において、回転子（２０）の部品を第１鉄心（３０）の部品として流用することができる。
【００４７】
前記固定子（２２）は、前記第２鉄心（３２）と同じ形状を有してもよい。これにより、例えば、製造段階において、固定子（２２）の部品を第２鉄心（３２）の部品として流用することができる。
【００４８】
前記第１鉄心（３０）は、前記回転軸（１２）と同心の環状部（３０ａ）、および前記第１鉄心（３０）の該環状部（３０ａ）から前記第２鉄心（３２）の方向に向かって突出した複数の突出部（３０ｂ）を有し、前記第２鉄心（３２）の形状は、前記回転軸（１２）と同心の環状であり、前記第２コイル（３４）は、前記第１鉄心（３０）の複数の前記突出部（３０ｂ）の各々に巻回されてもよい。このようにして、多相リアクトル（１６）を形成してもよい。
【００４９】
前記第１コイル（２４）および前記第２コイル（３４）は、同一の線材であってもよい。第１コイル（２４）と第２コイル（３４）とを一つの線材で形成する場合は、配線（２８ａ）を別途で設けることが不要となる。
【００５０】
＜第２の発明＞
第２の発明は、主軸装置（ＭＳ）であって、第１の発明のスピンドルモータ（１０）を備える。この主軸装置（ＭＳ）を備えた工作機械は、小型化および低コスト化に有利である。
【符号の説明】
【００５１】
１０…スピンドルモータ                  １２…回転軸
１４…電動機                            １６…多相リアクトル
１８…ハウジング                        １８ａ…ハウジングの内装壁
１８ｂ…ハウジングの外装壁              ２０…回転子
２２…固定子                            ２２ａ…固定子の環状部
２２ｂ…固定子の突出部                  ２４…第１コイル
２６…導体                              ２８ａ、２８ｂ…配線
３０…第１鉄心                          ３０ａ…第１鉄心の環状部
３０ｂ…第１鉄心の突出部                ３２…第２鉄心
３２ａ…第２鉄心の環状部                ３２ｂ…第２鉄心の突出部
３４…第２コイル                        ３６…溝部
３８…冷媒入口                          ４０…冷媒出口
４２…冷媒経路                          ＭＳ…主軸装置
【図１】
2020055067.tif 000003
【図２】
2020055067.tif 000004
【図３】
2020055067.tif 000005
【図４】
2020055067.tif 000006
【図５】
2020055067.tif 000007
【図６】
2020055067.tif 000008
【図７】
2020055067.tif 000009