(57)【要約】【課題】装置自体の軽量コンパクト化を図りつつも、多段切り換えを可能としてトルク及び回転速度の範囲を拡大することができる工作機械の主軸駆動装置を提供する。【解決手段】電動機ユニット２０の駆動軸２２の回転を、主軸１１に伝達して、該主軸１１を回転駆動させる工作機械の主軸駆動装置１において、電動機ユニット２０の三相巻線がＹ結線とされて駆動軸２２を低速回転させる低速巻線と、Δ結線とされて駆動軸２２を高速回転させる高速巻線とで切り換え可能とし、主軸１１と駆動軸２２との間に中間軸ユニット４０を設け、該中間軸ユニット４０を低速位置と高速位置とでスライド移動させることにより、主軸１１の駆動軸２２に対するギア比を切り換え可能とする。【選択図】図１
2010089195.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三相誘導電動機の駆動軸の回転を、工作機械の主軸に伝達して、該主軸を回転駆動させる工作機械の主軸駆動装置において、
前記三相誘導電動機は、固定子側の三相巻線の巻線方式が、Ｙ結線とされて前記駆動軸を低速回転させる低速巻線と、Δ結線とされて前記駆動軸を高速回転させる高速巻線とで切り換え可能とされており、
前記駆動軸の外周面に、駆動ギヤが前記駆動軸と一体に設けられ、
前記主軸の外周面に、大径主軸ギヤ及び小径主軸ギヤが互いに該主軸の軸線方向に間隔を空けて前記主軸と一体に設けられ、
前記駆動軸と前記主軸の間に中間軸が配置され、該中間軸の外周面には、小径中間ギヤ及び大径中間ギヤが互いに該中間軸の軸線方向に隣接して一体に設けられており、
前記中間軸が、前記大径中間ギヤを前記駆動ギヤに噛合させるとともに前記小径中間ギヤを前記大径主軸ギヤに噛合させる低速位置と、前記大径中間ギヤを前記駆動ギヤ及び前記小径主軸ギヤの両方に噛合させる高速位置とに切り換え可能とされていることを特徴とする工作機械の主軸駆動装置。
【請求項２】
前記三相巻線の巻線方式及び前記中間軸の位置の組み合わせを、低速巻線−低速位置とした第１段階、高速巻線−低速位置とした第２段階、低速巻線−高速位置とした第３段階、高速巻線−高速位置とした第４段階と、順次切り換えるに連れて、前記主軸の回転速度が増加するように構成されており、
回転速度を上昇させた際に出力が一定となる境界における回転速度を基底回転速度と定義するとともに、該基底回転速度よりもさらに回転速度を上昇させた際に出力が低下し始める境界における回転速度を出力減少速度と定義し、
前記三相誘導電動機の低速巻線時の基底回転速度をＮ０、出力減少速度をＮ１とするとともに、高速巻線時の基底回転速度をＮ２、出力減少速度をＮ３とし、さらに、前記大径中間ギヤの歯数をＺ１、前記小径中間ギヤの歯数をＺ２、前記大径主軸ギヤの歯数をＺ３、前記小径主軸ギヤの歯数をＺ４とした際に、
【数１】
2010089195.tif 000008
の関係が成立することを特徴とする請求項１に記載の工作機械の主軸駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機の駆動軸の回転を工作機械の主軸に伝達して該主軸を回転させる工作機械の主軸駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械の中でも特にマシニングセンタは切削対象とする加工品が多種にわたっており、その主軸には、鋼を重切削する高いトルクからアルミ等の軽合金を高速で加工する高い回転速度まで、広範囲のトルク及び回転速度を実現することが要求される。
近年、このマシニングセンタにおいては、主軸と電動機とが直結されたものや主軸内に電動機を一体的に搭載したビルトイン型のものが主流となっており、広範囲のトルク及び回転速度を実現するために電動機自体を大容量のものとする傾向にある。ところが、この場合、電動機の容量増加に伴い消費エネルギーも増大するため、省エネルギー化の観点からは好ましくない。
【０００３】
そこで、電動機の容量を低く抑えつつも広範囲のトルク及び回転速度を実現すべく、従来、例えば電動機（三相誘導電動機）の固定子側の巻線方式を切り換えることにより極数を変更する巻線切り換え方式や、電動機の回転をギヤを介して主軸に伝達する構成とし該ギヤを複数段に切り換え可能とするギヤ切り換え方式の主軸駆動装置が提案されている。
【０００４】
前者の巻線切り換え方式の主軸駆動装置は、例えば特許文献１に示すように、各相の巻線を低速時には並列に接続することでＹ結線とし、高速時には直列に接続することでΔ結線につなぎ換え、極数を増減させることによって、電動機のトルク及び回転速度を変化させるものである。これにより、電動機に直結された主軸のトルク及び回転速度の取り得る範囲を２段階で切り換えることができる。
【０００５】
後者のギヤ切り換え方式の主軸駆動装置は、例えば特許文献２に示すように、主軸及び電動機の駆動軸のそれぞれにギヤが取り付けられており、これら主軸と電動機の駆動軸との間に、歯数の異なる２つの中間ギヤが取り付けられた中間軸が設けられている。そして、この中間軸を軸方向に移動させることで、いずれかの中間ギヤが主軸及び電動機の駆動軸と噛み合うことにより、ギヤ比に応じて主軸のトルク及び回転速度の取り得る範囲を２段階で切り換えることができる。
【特許文献１】特開平６−２９６３５０号公報
【特許文献２】特開２００１−３２２０４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、例えば航空機に用いられるチタンやインコネル等の難削材を切削対象とする場合、マシニングセンタの主軸には工具の性能向上に対応した非常に大きなトルクが要求される。
しかしながら、上記巻線切り換え方式の主軸駆動装置では、２段階でしかトルク及び回転速度の切り換えをすることができないため、そのトルクの範囲は狭く、難削材を切削するのに見合った所望のトルクを得ることができないという問題があった。
【０００７】
また、ギヤ切り換え方式の主軸駆動装置ならば、中間軸を複数設けて複数段の切り換え方式とすることによりトルク及び回転速度の取り得る範囲を拡大することができ、これにより高いトルクを得ることができるとも考えられる。ところがこの場合、複数の中間軸の存在により主軸駆動装置自体が大掛かりなものとなり、構成が複雑になるのみならず重量が増加してしまうという問題があった。
【０００８】
さらに、上記の巻線切り換え方式及びギヤ切り換え方式の主軸駆動装置においては、それぞれ巻線方式及びギヤの切り換えの際に回転速度及びトルクが低下することにより一時的に出力が低下してしまい、スムーズな切り換えを行うことができないという問題があった。
【０００９】
この発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、装置自体の軽量コンパクト化を図りつつも、多段切り換えを可能としてトルク及び回転速度の範囲を拡大することができる工作機械の主軸駆動装置を提供することを目的とする。
また、切り換え時にトルク及び回転速度が一時的に低下するのを防止して出力を一定に保ったままスムーズな切り換えを可能とする工作機械の主軸駆動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】
【００１０】
前記課題を解決するため、この発明は以下の手段を提案している。
即ち、本発明に係る工作機械の主軸駆動装置は、三相誘導電動機の駆動軸の回転を、工作機械の主軸に伝達して、該主軸を回転駆動させる工作機械の主軸駆動装置において、前記三相誘導電動機は、固定子側の三相巻線の巻線方式が、Ｙ結線とされて前記駆動軸を低速回転させる低速巻線と、Δ結線とされて前記駆動軸を高速回転させる高速巻線とで切り換え可能とされており、前記駆動軸の外周面に、駆動ギヤが前記駆動軸と一体に設けられ、前記主軸の外周面に、大径主軸ギヤ及び小径主軸ギヤが互いに該主軸の軸線方向に間隔を空けて前記主軸と一体に設けられ、前記駆動軸と前記主軸の間に中間軸が配置され、該中間軸の外周面には、小径中間ギヤ及び大径中間ギヤが互いに該中間軸の軸線方向に隣接して一体に設けられており、前記中間軸が、前記大径中間ギヤを前記駆動ギヤに噛合させるとともに前記小径中間ギヤを前記大径主軸ギヤに噛合させる低速位置と、前記大径中間ギヤを前記駆動ギヤ及び前記小径主軸ギヤの両方に噛合させる高速位置との間で、前記中間軸の軸線方向にスライド可能とされていることを特徴とする。
【００１１】
このような特徴の工作機械の主軸駆動装置によれば、三相誘導電動機の固定子側の三相巻線をＹ結線とした低速巻線とΔ結線とした高速巻線との２段階での切り換えが可能であるとともに、中間軸を低速位置と高速位置との間でスライドさせることにより、ギア比に応じて２段階での切り換えが可能となるため、これらを組み合わせることによって計４段階での速度切り換えがを行うことができる。これにより、トルク及び回転速度の取り得る範囲を拡大することが可能となる。
【００１２】
また、本発明に係る工作機械の主軸駆動装置は、前記三相巻線の巻線方式及び前記中間軸の位置の組み合わせを、低速巻線−低速位置とした第１段階、高速巻線−低速位置とした第２段階、低速巻線−高速位置とした第３段階、高速巻線−高速位置とした第４段階と、順次切り換えるに連れて、前記主軸の回転速度が増加するように構成されており、回転速度を上昇させた際に出力が一定となる境界における回転速度を基底回転速度と定義するとともに、該基底回転速度よりもさらに回転速度を上昇させた際に出力が低下し始める境界における回転速度を出力減少速度と定義し、前記三相誘導電動機の低速巻線時の基底回転速度をＮ０、出力減少速度をＮ１とするとともに、高速巻線時の基底回転速度をＮ２、出力減少速度をＮ３とし、さらに、前記大径中間ギヤの歯数をＺ１、前記小径中間ギヤの歯数をＺ２、前記大径主軸ギヤの歯数をＺ３、前記小径主軸ギヤの歯数をＺ４とした際に、
【数１】
2010089195.tif 000003
の関係が成立することを特徴とする。
【００１３】
このような特徴の工作機械の主軸駆動装置によれば、第１段階から第２段階への切り換え時、第２段階から第３段階への切り換え時及び第３段階から第４段階への切り換え時において、主軸のトルク及び回転速度が変動することはない。これにより、切り換え時において電動機の出力の維持し、スムーズな切り換えを行うことが可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る工作機械の主軸駆動装置によれば、巻線切り換え方式とギヤ切り換え方式を併用した構成とすることにより、中間軸を複数設けなくとも４段切り換えを行うことができるため、軽量コンパクトを図りつつ、トルク及び回転速度の取り得る範囲を拡大することが可能となる。
また、切り換え時において主軸のトルク及び回転速度が変動することがないため、電動機の出力を維持したスムーズな切り換えを行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態に係る工作機械の主軸駆動装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は実施形態に係る主軸駆動装置の概略を示す側断面図である。
図１に示すように、主軸駆動装置１は、主軸ユニット１０、電動機ユニット２０及び中間軸ユニット４０が、それぞれの軸線Ｏ、Ｐ、Ｑを互いに平行にしてハウジング２内に独立して配置されており、電動機ユニット２０の回転が中間軸ユニット４０を介して主軸ユニット１０に伝達される構成とされている。
【００１６】
主軸ユニット１０は、軸線Ｏに沿って延びる略円筒状をなす主軸１１を有し、該主軸１１は、ハウジング２内に設けられた複数のベアリング１２によって先端側（図１における左側）及び後端側（図１における右側）が軸支され、軸線Ｏ回りに回転可能とされている。
【００１７】
主軸１１の先端には、該先端側に向かうに従って漸次拡径するテーパ状をなすテーパ孔１３が軸線Ｏに沿って開口されている。このテーパ孔１３には、図示しない工具がテーパ嵌合される。
また、主軸１１内部には、テーパ孔１３に連続するようにして該主軸１１を軸線Ｏに沿って貫通する貫通孔１４が穿設されている。この貫通孔１４内には、軸線Ｏに沿ってスライド可能なスライドシャフト１５が挿通されており、該スライドシャフト１５の後端には、工具の開放を行うためのアンクランプシリンダー１６のピストンロッド１７が連結されている。これによって、スライドシャフト１５は、アンクランプシリンダ１６のピストンロッド１７の作動時に先端側に向かってスライドすることとなる。
【００１８】
上記スライドシャフト１５の先端にはクランプ爪１５ａが設けられており、該クランプ爪１５ａがテーパ孔１３に嵌め込まれた工具を挟み込むことで主軸１１に工具を強固に取り付けることができるようになっている。また、スライドシャフト１５が先端側に向かってスライドした際には上記クランプ爪１５ａ、１５ａが開き、工具を開放すると同時に主軸１１のテーパ孔１３から押し出すようになっている。
【００１９】
一方、主軸１１の外周面の軸線Ｏ方向中央からやや後端側の位置には、大径主軸ギヤ１８が主軸１１と一体に取り付けられている。
さらに、主軸１１の外周面における上記大径主軸ギヤ１８のさらに後端側には、該大径主軸ギヤ１８よりも小径とされた小径主軸ギヤ１９が一体に取り付けられている。この小径主軸ギヤ１９は大径主軸ギヤ１８とは軸線Ｏ方向に一定の間隔を空けて設置されており、小径主軸ギヤ１９のギヤ歯１９ａの歯数Ｚ４は大径主軸ギヤ１８のギヤ歯１８ａの歯数Ｚ３よりも少なく設定されている。
【００２０】
電動機ユニット２０は、三相誘導電動機２１と、該三相誘導電動機２１内の回転子（図示省略）に接続されて軸線Ｐに沿って先端側に向かって延びるとともに軸線Ｐ回りに回転可能とされた駆動軸２２とを有している。
【００２１】
この駆動軸２２の先端外周には、歯数Ｚ０のギヤ歯２４ａを有する駆動軸ギヤ２４が一体に取り付けられており、該駆動軸ギヤ２４はその先端側及び後端側がハウジング２内のベアリング２５、２５によって軸支されている。これにより、駆動軸２２が回転した際には、駆動軸ギヤ２４も一体に軸線Ｐ回りに回転するようになっている。
【００２２】
次に、この電動機ユニット２０の三相誘導電動機２１内に設けられた固定子（図示省略）側の三相巻線３０の巻線方式について図２及び図３を用いて説明する。図２（ａ）はＹ結線とされた三相巻線の模式図、図２（ｂ）はΔ結線とされた三相巻線の模式図、図３は巻線方式の切り換え回路の概略図である。
【００２３】
三相巻線３０は、第１層巻線群Ｐｈ１、第２層巻線群Ｐｈ２、第３層巻線群Ｐｈ３の３つの巻線群を有している。
第１層巻線群Ｐｈ１はコイルＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４がこの順で直列に接続されるとともに、コイルＣ２とＣ３との間に端子Ｕ１が設けられており、コイルＣ４側の端部に端子Ｕ２が設けられている。
また、第２層巻線群Ｐｈ２はコイルＣ５、Ｃ６、Ｃ７、Ｃ８がこの順で直列に接続されるとともに、コイルＣ６とＣ７との間に端子Ｖ１が設けられており、コイルＣ８側の端部に端子Ｖ２が設けられている。
同様にして、第３相巻線群Ｐｈ３はコイルＣ９、Ｃ１０、Ｃ１１、Ｃ１２がこの順で直列に接続されるとともに、コイルＣ１０とＣ１１との間に端子Ｗ１が設けられており、コイルＣ１２側の端部に端子Ｗ２が設けられている。
【００２４】
そして、第１相巻線群Ｐｈ１のコイルＣ４の端部が第２相巻線群Ｐｈ２のコイルＣ５側の端部に接続され、第２相巻線群Ｐｈ２のコイルＣ８側の端部が第３相巻線群Ｐｈ３のコイルＣ９側の端部に接続され、第３相巻線群Ｐｈ３のコイルＣ１２側の端部が第１相巻線群Ｐｈ１のコイルＣ１側の端部に接続されている。これにより、コイルＣ１〜Ｃ１２が直列に接続された閉回路が構成される。
【００２５】
三相巻線３０を図２(ａ）に示すＹ結線とする際には、図３に示す切り換え回路において、電磁開閉器ＭＣＣ１をオンとし電磁開閉器ＭＣＣ２をオフとする。これにより、三相交流電源５０から端子Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１にそれぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相電力が供給されるとともに、三相巻線３０における端子Ｕ２、Ｖ２、Ｕ２がそれぞれ互いに接続されて中性点をなし、Ｙ結線の三相巻線３０が構成される。
【００２６】
一方、三相巻線３０を図２（ｂ）に示すΔ結線とする際には、図３に示す切り換え回路において、電磁開閉器ＭＣＣ１をオフとし電磁開閉器ＭＣＣ２をオンとする。これにより、三相交流電源５０から端子Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２にそれぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相電力が供給されるΔ結線の三相巻線３０が構成される。
なお、図３は電磁開閉器ＭＣＣ１がオフ、電磁開閉器ＭＣＣ２がオンの状態を示している。
【００２７】
上記のようなＹ結線の場合の極数は８極になり、Δ結線の場合の極数は４極になる。そして、三誘導電動機２０の回転速度は極数に反比例するため、三相巻線３０をＹ結線とすることにより駆動軸２２は低速回転し、Δ結線とすることで駆動軸２２は高速回転する。
即ち、本実施形態の誘導電動機２０においては、固定子側の三相巻線３０の巻線方式を、Ｙ結線となる低速巻線とΔ結線となる高速巻線とで切り換えることにより、駆動軸２０のトルク及び回転速度の取り得る範囲が２段階で切り換えられるようになっている。
【００２８】
中間軸ユニット４０は、図１に示すように、主軸ユニット１０と電動機ユニット２０の間に配置されており、中間軸４１と、中間ギヤ部４２と、シリンダ部４３とを有している。
中間軸４１は、軸線Ｏ及び軸線Ｐに平行な軸線Ｑに沿って延びる円柱状をなす部材であり、軸線Ｑ方向に沿って移動可能となるようにハウジング２内に設置されている。この中間軸４１の外周面には、上記中間ギヤ部４２が一体に取り付けられており、これら中間軸４１の周りを中間ギヤ部４２が中間軸軸受４６を介して回転するように構成されている。
【００２９】
この中間ギヤ部４２は、それぞれ外径の異なる大径中間ギヤ４４及び小径中間ギヤ４５が軸線Ｑ方向に隣接するように一体とされることで構成されている。また、小径中間ギヤ４５のギヤ歯４５ａの歯数Ｚ２は大径中間ギヤ４４のギヤ歯４４ａの歯数Ｚ１よりも少なく設定されており、大径中間ギヤ４４の方が小径中間ギヤ４５よりも後端側に配置されている。
【００３０】
また、シリンダ部４３は、中間軸４１の後端に接続されたロッド４３ａを備えており、該ロッド４３ａが前進及び後退することで中間軸４１を軸線Ｑに沿ってスライド移動させるようになっている。
【００３１】
ここで、ロッド４３ａが前進した場合（図１の状態の場合）、中間軸４１は、図１に示す位置、即ち、大径中間ギヤ４４のギヤ歯４４ａが駆動軸ギヤ２４のギヤ歯２４ａに噛合するとともに、小径中間ギヤ４５が大径主軸ギヤ１８に噛合する低速位置に置かれる。この際の主軸１１の駆動軸２２に対するギヤ比は、（Ｚ０／Ｚ１）×（Ｚ２／Ｚ３）となる。
一方、ロッド４３ａが後退した場合には、中間軸４１は、図１の矢印に示すように後端側に移動し、大径中間ギヤ４４のギヤ歯４４ａが駆動ギヤ２４のギヤ歯２４ａ及び小径主軸ギヤ１９のギヤ歯１９ａに噛合する高速位置に置かれる。この際の主軸１１の駆動軸２２に対するギヤ比は、（Ｚ０／Ｚ１）×（Ｚ１／Ｚ４）となる。
【００３２】
ここで、Ｚ３＞Ｚ４であることから、低速位置に置かれた場合に比べて高速位置に置かれた場合の方が上記ギヤ比が小さくなる。したがって、中間軸４１が低速位置に置かれた際には、主軸１１の回転速度が小さなるとともにトルクが大きくなり、高速位置に置かれた際には、主軸１１の回転速度が大きくなるとともにトルクが小さくなることになる。即ち、本実施形態の主軸駆動装置１においては、中間軸４１の位置を低速位置と高速位置との間で移動させることにより、回転速度及びトルクが取り得る範囲を２段階で切り換えることができるのである。
【００３３】
以上のような構成の主軸駆動装置１によれば、電動機ユニット２０の固定子側の三相巻線３０をＹ結線とした低速巻線と、Δ結線とした高速巻線との２段階での切り換えが可能であるとともに、中間軸４１を低速位置と高速位置との２段階で切り換え可能であるため、これらを組み合わせることにより、回転速度及びトルクの取り得る範囲を計４段階で切り換えることができる。
これにより、例えば図４に示すように、三相巻線３０の巻線方式と中間軸４１の位置の組み合わせを、低速巻線−低速位置とした第１段階、高速巻線−低速位置とした第２段階、低速巻線−高速位置とした第３段階、高速巻線−高速位置とした第４段階と順次切り換えるに連れて主軸ユニット１０の回転速度が増加するとともにトルクが低下するように構成することができる。
即ち、本実施形態の主軸駆動装置１によれば、巻線切り換え方式とギヤ切り換え方式を併用した構成とすることにより、中間軸ユニット４０を複数設けなくとも４段切り換えを行うことができることから、軽量コンパクトを図りつつ、トルク及び回転速度の範囲を拡大して難削材の切削加工を容易に行うことが可能となるのである。
【００３４】
さらに、本実施形態の主軸駆動装置１においては、上記第１段階から第２段階への切り換え時、第２段階から第３段階への切り換え時及び第３段階から第４段階への切り換え時のそれぞれにける主軸１１の回転速度及びトルクの変動を抑え、電動機の出力の位置したまま切り換えを行うことができる。以下、この点について説明する。
【００３５】
図５（ａ）に、三相巻線３０が低速巻線（Ｙ結線）とされた際の運転時における三相誘導電動機２１の回転速度と出力の関係を示す。
回転速度が０から上昇するに連れて出力も増加し、回転速度がＮ０より大きくなった場合には出力は一定となり、さらに回転速度がＮ１より大きくなると出力が低下し始める。即ち、この三相誘導電動機３０の低速巻線時においては、回転速度がＮ０〜Ｎ１の範囲（低速巻線安定領域）においては出力を最大限に発揮した安定運転を行うことができる。上記Ｎ０を低速巻線基底回転速度、Ｎ１を低速巻線出力減少速度をと定義する。
【００３６】
また、図５（ｂ）に、三相巻線３０が高速巻線（Δ結線）とされた際の運転時における三相誘導電動機２１の回転速度と出力の関係を示す。
上記図５（ａ）と同様に、回転速度が０から上昇するに連れて出力も増加し、回転速度がＮ２より大きくなった場合には出力は一定となり、さらに回転速度がＮ３より大きくなると出力が低下し始める。即ち、この三相誘導電動機３０の高速巻線時においては、回転速度がＮ２〜Ｎ３の範囲（高速巻線安定領域）においては出力を最大限に発揮した安定運転を行うことができる。上記Ｎ２を高速巻線基底回転速度、Ｎ３を高速巻線出力減少速度と定義する。
【００３７】
以上を踏まえて、切り換え時に主軸１１の回転速度及びトルクが変動しない条件を見出すことにより、切り換え時において出力の位置を図ることができる。
なお、回転速度の値が定まればトルクの値も一義的に定まるため、回転速度のみに着目して上記条件を求める。
【００３８】
図４に示したように、第１段階から第２段階への切り換えは、三相巻線３０を低速巻線（Ｙ結線）から高速巻線（Δ結線）に切り換えるものである。
よって、第１段階における低速巻線安定領域から第２段階の高速巻線安定領域にスムーズに移行するためには、図５（ａ）に示した低速巻線出力減少速度Ｎ１における主軸１１の回転速度と、図５（ｂ）に示した高速巻線基底回転速度Ｎ２における主軸１１の回転速度とを一致させればよい。なお、第１段階から第２段階への切り換えにおいてはギヤ比が変化することはない。
したがって、第１段階から第２段階への切り換えをスムーズに行うためには、下記（１）式の関係が成り立つことが条件となる（図６におけるＡ点）。
【００３９】
【数２】
2010089195.tif 000004
【００４０】
また、第２段階から第３段階への切り換えは、三相巻線３０を高速巻線（Δ結線）から低速巻線（Ｙ結線）に切り換えるとともに、中間軸４１を低速位置から高速位置に切り換えるものである。
この場合に、第２段階における高速巻線安定領域から第３段階の低速巻線安定領域に主軸の回転速度を維持したまま移行するには、ギア比の変動を踏まえた上で、高速巻線出力減少速度Ｎ３における主軸１１の回転速度と、低速巻線基底回転速度Ｎ０における主軸１１の回転速度が一致すればよい。
【００４１】
ここで、三相誘導電動機３０の回転速度が高速巻線出力減少速度Ｎ３の際の主軸１１の回転速度の値は、
【数３】
2010089195.tif 000005
となる。
一方、三相誘導電動機３０の回転速度が低速巻線基底回転速度Ｎ０の際の主軸１１の回転速度はの値は、
【数４】
2010089195.tif 000006
となる。
【００４２】
したがって、第２段階から第３段階への切り換えをスムーズに行うためには、上記２つの値が一致すればよいので、結果として下記（２）式の関係が成り立つことが条件となる（図６におけるＢ点）。
【数５】
2010089195.tif 000007
【００４３】
また、第３段階から第４段階への切り換えは、三相巻線３０を低速巻線（Ｙ結線）から高速巻線（Δ結線）に切り換えるものであるため、上記（１）式の関係を満たすことにより、第３段階から第４段階への切り換えをスムーズに行うことができる（図６におけるＣ点）。
【００４４】
よって、本実施形態における主軸駆動装置１においては、上記（１）式及び（２）式の関係を満たすように各パラメータ（Ｎ０〜Ｎ３、Ｚ１〜Ｚ４）を設定することによって、第１段階から第２段階への切り換え時、第２段階から第３段階への切り換え時及び第３段階から第４段階への切り換え時における主軸１１の回転速度及びトルクの変動をなくすことができる。これにより、図６に示すように、各段階の切り換え時である切り換えポイントＡ、Ｂ、Ｃにおける主軸１１の出力を一定とすることができ、出力が減少することがない滑らかな切り換えを行うことが可能となる。
【００４５】
以上から本実施形態の主軸駆動装置１によれば、巻線切り換え方式とギヤ切り換え方式を併用した構成とすることにより、中間軸４０を複数設けなくとも多段切り換えを行うことができるため、軽量コンパクトを図りつつ、トルク及び回転速度の範囲を拡大することが可能となる。また、各段階での切り換え時におけるトルク及び回転速度を同一とすることによりスムーズな切り換えが可能となり、電動機の出力を最大限に発揮した運転を行うことが可能となる。
【００４６】
以上、本発明である主軸駆動装置１の実施形態について詳細に説明したが、本発明の技術的思想を逸脱しない限り、これらに限定されることはなく、多少の設計変更等も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】実施形態に係る主軸駆動装置の概略を示す側断面図である。
【図２】（ａ）はＹ結線とされた三相巻線の模式図、（ｂ）はΔ結線とされた三相巻線の模式図である。
【図３】巻線方式の切り換え回路の概略図である。
【図４】三相巻線の巻線方式と中間軸本体の位置の組み合わせと各段階との対応を説明する図である。
【図５】（ａ）は三相巻線が低速巻線（Ｙ結線）とされた際の運転時における三相誘導電動機の回転速度と出力の関係を示す図、（ｂ）は三相巻線が高速巻線（Δ結線）とされた際の運転時における三相誘導電動機の回転速度と出力の関係を示す図である。
【図６】切り換え時に出力を維持することができるようにパラメータを設定した場合における主軸の回転速度とトルクの関係を示す図である。
【符号の説明】
【００４８】
１    主軸駆動装置
１０  主軸ユニット
１１  主軸
１８  大径主軸ギア
１８ａ       ギア歯
１９  小径主軸ギア
１９ａ       ギア歯
２０  電動機ユニット
２１  三相誘導電動機
２２  駆動軸
２４  駆動軸ギア
２４ａ       ギア歯
３０  三相巻線
４０  中間ユニット
４１  中間軸
４２  中間ギア部
４４  大径中間ギア
４４ａ       ギア歯
４５  小径中間ギア
４５ａ       ギア歯
Ｏ    軸線
Ｐ    軸線
Ｑ    軸線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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