(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
工作機用モータの固定子巻線の各相を複数の巻線で構成し、高速回転の主軸制御時は各相の巻線の巻回数が少なくなるように、低速回転の主軸割り出し制御時は各相の巻線の巻回数が多くなるように、前記巻線をコンタクタにより切り替える工作機用モータの巻線切替装置において、
前記固定子巻線の各相の巻線を巻回数の多い第１の巻線と巻回数の少ない第２の巻線とで構成し、前記各相の第２の巻線同志は巻終わりを結線してスター結線し、前記各相の第１の巻線の巻始めをそれぞれ各相の電源に接続し、
前記各相の第２の巻線の巻始めと第１の巻線の巻終わり各相の電源との間に、第１の巻線と第２の巻線を直列接続にするか、第１の巻線を前記各相の電源にスター接続するか、または前記各相の電源に第２の巻線をスター接続するかの選択的切替を行うコンタクタを設置し、
前記工作機用モータの基底回転速度と最高回転速度との比が１：ｍの場合、前記第１の巻線と第２の巻線の巻回数の比をｎ：１（ただし、ｎ＜（√ｍ）−１）に設定し、
使用する工作機用モータとして、永久磁石をロータコア内部に内装し、モータのｄ軸方向インダクタンスＬdとｑ軸方向インダクタンスＬqの関係がＬd＜Ｌqとなる突極性を有する永久磁石同期機形モータを用いたことを特徴とする工作機用モータの巻線切替装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機の主軸を駆動する工作機用モータの巻線切替装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
工作機の主軸を駆動する工作機用モータにおいては、近年、変速機構をなくして直接主軸をドライブするものが各種提案されているが、このようなモータ制御装置には高速から低速までの広域の速度範囲にわたって、出力一定制御が要求される。特に、主軸に割り出し（インデックス）機能を持たせた場合、低速時の大トルク、高精度のサーボ性能も必要となる。
これを実現するために、交流モータを工作機用モータとして使用したドライブ装置においては、低速時と高速時で異なる二つの出力特性を得る巻線切替制御が行われている。
【０００３】
特開平４−１０５５８７号公報には、図４に示すような巻線切替方法の例が記載されている。図４の例は、三相電源Ｒ，Ｓ，Ｔを印加すべきＵ，Ｖ，Ｗ相の各固定子巻線をそれぞれ直列の２つの巻線Ｃ１Ｕ，Ｃ２Ｕ、Ｃ１Ｖ，Ｃ２Ｖ、Ｃ１Ｗ，Ｃ２Ｗとし、これらを多相コンタクタＭ１Ｕ，Ｍ１Ｖ，Ｍ１Ｗ及びＭ２Ｕ，Ｍ２Ｖ，Ｍ２Ｗの群をいずれかオン・オフすることにより、低速時に２つの巻線を直列に接続し鎖交磁束数を増やして大トルクを出せるようにし、高速時には、コンタクタの接続を変えて１つの巻線にして鎖交磁束を減らし高速回転ができるように制御するものである。
また、特開平４−２４４７７１号公報には、図５に示すような例が開示されている。これは同期電動機の巻線切替による工作機主軸駆動方式の例であり、三相の各相を直列の３巻線にして、低速時には固定子巻線の巻回数を多くし、高速時には固定子巻線の巻回数を少なくするように３巻線のタップ切り替えをするものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記の特開平４−１０５５８７号公報に示すコンタクタの挿入方法では、リード線が１２本必要となり、接続作業も複雑であり、また電機子巻線のリード線処理時、結線側のコイルエンド部が大きくなり、モータの軸方向寸法が長くなるという問題があった。
また前記の特開平４−２４４７７１号公報に示す例の場合は、３コイルの直列接続のタップ出しの例については、特開平４−１０５５８７号公報に示す例の場合に比べて、リード線数が９本と少なくて済むが、３つの巻線を切替制御するには、コンタクタ接点数が必要となり、また電機子巻線の巻線作業も複雑になるという問題があった。
また、特開平４−２４４７７１号公報記載の従来例では、最高回転速度時、何かのトラブルで無制御状態になったとき、本従来例はタップ出し構成であるため、各端子には、磁石の磁束により大電圧が誘起し、巻線絶縁の信頼性、また安全性に問題があった。
このため、上記従来例では主軸モータの必須機能である（１）割り出し機能、（２）低速重切削機能、（３）高速仕上げ機能の３モード切替えを行うのに、リード線数が多くなるか、コンタクタの接点数が増え、制御アルゴリズムが複雑になり、さらに絶縁の信頼性、安全性に欠けるという問題があった。
そこで本発明が解決すべき課題は、永久磁石同期電動機のリード線数を減らした巻線構成で広範囲の定出力制御ができる工作機用モータの巻線切替装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の工作機用モータの巻線切替装置は、工作機用モータの固定子巻線の各相を複数の巻線で構成し、高速回転の主軸制御時は各相の巻線の巻回数が少なくなるように、低速回転の主軸割り出し制御時は各相の巻線の巻回数が多くなるように、前記巻線をコンタクタにより切り替える工作機用モータの巻線切替装置において、  前記固定子巻線の各相の巻線を巻回数の多い第１の巻線と巻回数の少ない第２の巻線とで構成し、前記各相の第２の巻線同志は巻終わりを結線してスター結線し、前記各相の第１の巻線の巻始めをそれぞれ各相の電源に接続し、前記各相の第２の巻線の巻始めと第１の巻線の巻終わり各相の電源との間に、第１の巻線と第２の巻線を直列接続にするか、第１の巻線を前記各相の電源にスター接続するか、または前記各相の電源に第２の巻線をスター接続するかの選択的切替を行うコンタクタを設置し、前記主軸の割り出し、高速仕上げ、低速重切削の３モードで、割り出し機能は第１の巻線のみ、高速仕上げ加工は第２の巻線のみ、低速重切削は第１及び第２の巻線を直列に用いるように切り替え、さらに前記工作機用モータの基底回転速度と最高回転速度との比が１：ｍの場合、前記第１の巻線と第２の巻線の巻回数の比をｎ：１（ただし、ｎ＜（√ｍ）−１）に設定し、使用する工作機用モータとして、永久磁石をロータコア内部に内装し、モータのｄ軸方向インダクタンスＬdとｑ軸方向インダクタンスＬqの関係がＬd＜Ｌqとなる突極性を有する永久磁石同期機形モータを用いたことを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の形態を示すものである。図において、２分割する１相の巻線を、巻回数の多いコイルｗａと少ないコイルｗｂとに分割し、
１）低速回転領域の場合は      ｗａ＋ｗｂ（直列接続）
２）高速回転領域の場合は      ｗｂ
３）主軸割り出し制御の場合は  ｗａ
に電流が流れるように、コンタクタＣ１，Ｃ２を用いて巻線切替制御を行う。
【０００７】
【実施例】
以下本発明の実施例を図に基づいて説明する。
ここで使用するモータは、図３に示すような永久磁石をロータに有する永久磁石同期機形モータで、かつ永久磁石４ａをロータコア１内部の磁石挿入穴２に内装し、モータのｄ軸方向インダクタンスＬｄ、ｑ軸方向インダクタンスＬｑの関係がＬｄ＜Ｌｑとなる突極性を有した内磁形モータ（ＩＰＭＭ）を対象にしている。このＩＰＭＭは、インダクションモータが出せる定出力特性とほぼ同等の特性を有し、工作機として嫌われるロータ（２次側）の損失が無いというメリットがある反面、インダクタンスが大きく、特に割り出し機能モードの巻線接続を低速重切削モードと同一（ｗａ＋ｗｂ）にした場合、インダクタンスが特に大きくなり、割り出し機能モードの制御において、電流ループ、速度ループの周波数特性を著しく低下させるものである。本発明は、このようなＩＰＭＭを対象として巻線切換を行うものである。
【０００８】
図１に、本発明における巻線とコンタクタの接続の関係を示す。
使用する３相電動機の交流電機子巻線の各相を巻回数の多い第１の巻線ｗａと巻回数の少ない第２の巻線ｗｂに分割し、第１の巻線ｗａと第２の巻線ｗｂの巻回数を、ｎ１：ｎ２（ｎ１≧ｎ２）の比率とする。第１の巻線ｗａの巻始め、巻終わりは双方ともリードとして出し、その端子は［Ｕ１，Ｘ１］［Ｖ１，Ｙ１］［Ｗ１，Ｚ１］とし、第２のコイルｗｂは、巻終わりを３相スター結線し、巻始めはリード出しとし、その端子はＸ２，Ｙ２，Ｚ２とする。これによりモータからは、計９本のリードが出されることになる。そして、リード端Ｕ１−Ｕ２間、Ｘ１−Ｕ２間はそれぞれにコンタクタＣ１のａ接点，Ｃ１のｂ接点を入れ、他の２相も同様に接続する。さらに、それぞれの相の第２巻線ｗｂの巻始めとリード端子間にコンタクタＣ２のａ接点を入れ、Ｕ２−Ｖ２間、Ｗ２−Ｕ２間にそれぞれコンタクタＣ２のｂ接点を入れた巻線切替方式をとる。
主軸の特性を図２に示すような定出力特性とし、０から巻線切替速度Ｎｃｏｎｔまでを低速、巻線切替速度Ｎｃｏｎｔから最高回転速度Ｎｔｏｐまでを高速と称し、さらには前記主軸割り出し制御と、これらの３つの切替モードのシーケンスを表１のように行う。
【０００９】
【表１】
0003596711.tif 000002
【００１０】
また、定出力範囲（Ｎｂａｓｅ：Ｎｔｏｐ）が１：１２以下の場合は、前記第１の巻線ｗａと第２の巻線ｗｂの比を、ｎ１：ｎ２＝２：１に設計している。
これについて以下に説明する。
第１の巻線と第２の巻線の巻数比、いわゆる定出力比が１：ｍ程度の場合、
低速巻線で、約１：√ｍ
高速巻線で、約１：√ｍ
の定出力特性を出すことになる。
駆動対象となるＩＰＭＭは、一般的な誘導電動機とは異なり、回転時、磁石磁束による誘起電圧が発生する。
インバータ駆動時、非常停電が生じ、モータが無制御状態になった場合モータ端子には、この誘起電圧が発生することになり、その値は、下記の各巻線での最高回転速度で最大値となる。
基底回転速度をＮｂａｓｅとした場合、
１）低速巻線での最高回転速度：ＮＬｍａｘ＝（√ｍ）・Ｎｂａｓｅ
２）高速巻線での最高回転速度：ＮＨｍａｘ＝ｍ・Ｎｂａｓｅ
となり、２００Ｖインバータの場合、その最大許容値は、２８０Ｖ（ｒ．ｍ．ｓ．）となる。つまり、
１）低速巻線での最高回転速度時の誘起電圧：ＥＬｍａｘ＝（√ｍ）・Ｎｂａｓｅ×ＫｅＬ
（ＫｅＬ：低速巻線での誘起電圧定数）
２）高速巻線での最高回転速度時の誘起電圧：ＥＨｍａｘ＝ｍ・Ｎｂａｓｅ×ＫｅＨ
（ＫｅＨ：高速巻線での誘起電圧定数）
である。
ＥＬｍａｘ＝ＥＨｍａｘ＝２８０Ｖ（ｒ．ｍ．ｓ）
であるので、この条件を満たすには、
（低速巻線巻数ＷＬ）：（高速巻線巻数ＷＨ）＝ｍ：１
となり、従って、
（第１の巻線ｗａ）：（第２の巻線ｗｂ）＝（（√ｍ）−１）：１
というように決める。
実際に数値を当てはめると、定出力比が１：１２（ｍ＝１２）の場合、
（第１の巻線ｗａ）：（第２の巻線ｗｂ）＝２．５：１
となるが、小数点以下を切り捨てて、（第１の巻線ｗａ）：（第２の巻線ｗｂ）＝２：１とする。小数点以下を切り捨てるのは、四捨五入したのでは、五入時、低速巻線接続の時、
ＥＬｍａｘ＞２８０Ｖ
となり、インバータが壊れる恐れがあるからである。
一般的には、（第１の巻線ｗａ）：（第２の巻線ｗｂ）＝ｎ：１、ただしｎ＜（（√ｍ）−１）とし、低速巻線接続時の安全のための余裕を持たせる。
上記手段により、ロータに発熱がない特徴を持つ永久磁石同期電動機であるＩＰＭＭで、リード線数を少なくし、Ｓ軸動作モード（低速、高速）では広範囲の定出力制御が行え、かつ主軸割り出し制御に必要十分条件となる速度ループの応答周波数特性を上げることができる。
【００１１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、永久磁石同期電動機のリード線数を減らした巻線構成で広範囲の定出力制御ができ、コイル数も１相当たり２つのコイルで構成されるので巻線作業性も良好となる。さらには、絶縁の信頼性、使用上の安全性も確保できる。
また、リード線数、コンタクタ接点を少なくして、低速重切削、高速仕上げ加工、さらには、本発明の最重要課題であるＩＰＭＭ主軸モータでの主軸割り出し制御の際、多巻線ｗａのみスター結線されるようにコンタクタを切替制御することで、同モータでの従来方式の切替制御の場合に比べてモータのインダクタンスを約１／２以下にすることができ、電流ループの応答周波数特性を２倍以上に向上でき、速度ループもこれにならい改善できる。この結果、外乱トルクに対する制御性能が向上し、主軸割り出し機能を利用した加工の精度を向上させる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を示す巻線およびコンタクタ接続図である。
【図２】主軸モータの定出力特性図である。
【図３】内磁形モータのロータの正断面図である。
【図４】従来の巻線及びコンタクタの接続図である。
【図５】従来の巻線及びコンタクタの接続図である。
【符号の説明】
１  ロータコア、２  磁石挿入穴、４ａ  永久磁石
【図１】
0003596711.tif 000003
【図２】
0003596711.tif 000004
【図３】
0003596711.tif 000005
【図４】
0003596711.tif 000006
【図５】
0003596711.tif 000007