(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
工具と加工物とを相対的に移動して前記加工物に所望の加工を施す工作機械において、
前記工具が装着される主軸と、
該主軸の頭に設けられると共に、前記主軸を回転駆動する電動機と、
該電動機の駆動を制御するインバータと、
該インバータを制御するコントローラと、
使用する前記工具ごとにその使用条件に合った前記電動機の出力の大きさを予め設定するための工具データ設定手段とを備え、
前記電動機は、
一次巻線及び固定子磁極を有する固定子と、
前記固定子磁極に対向する界磁用磁石及びシャフトを有するものであって、前記界磁用磁石が、回転方向に順次異なった極性の磁極が並んでいる第１の界磁用磁石と、この第１の界磁用磁石に対して相対回転が可能で、回転後方に順次異なった磁性の磁極が並んでいる第２の界磁用磁石とを含み構成された回転子と、
前記第１の界磁用磁石と前記第２の界磁用磁石との間の磁気作用力と前記回転子に発生するトルクとの釣合いに応じて、前記第１の界磁用磁石に対して前記第２の界磁用磁石を軸方向及び回転方向に変位させる変位機構とを有し、
前記変位機構は、
前記電動機の駆動速度又は負荷状態による前記回転子の回転方向に応じて、前記第１の界磁用磁石と前記第２の界磁用磁石との間の磁気作用力と前記回転子に発生する回転トルクとの釣合いにより前記第１の界磁用磁石と前記第２の界磁用磁石の同じ極性の各磁極の磁極中心を並ばせる変位機能と、前記回転子の発生する回転トルクの方向が反対になることにより前記第１の界磁用磁石と前記第２の界磁用磁石の同じ極性の各磁極の磁極中心をずらす変位機能とを備えている
ことを特徴とする工作機械。
【請求項２】
請求項１に記載の工作機械において、
前記回転子は、
前記電動機を低速で駆動して前記主軸を回転駆動させる場合、正回転で回転し、
前記電動機を高速低トルク又は軽負荷で駆動して前記主軸を回転駆動させる場合、逆回転で回転し、
前記変位機構は、
前記回転子が正回転の場合、前記第１の界磁用磁石と前記第２の界磁用磁石との間の磁気作用力と前記回転子に発生する回転トルクとの釣合いにより前記第１の界磁用磁石と前記第２の界磁用磁石の同じ極性の各磁極の磁極中心を並ばせ、
前記回転子が逆回転の場合、前記回転子の発生する回転トルクの方向が反対になることにより前記第１の界磁用磁石と前記第２の界磁用磁石の同じ極性の各磁極の磁極中心をずらす
ことを特徴とする工作機械。
【請求項３】
請求項１に記載の工作機械において、
前記第１の界磁用磁石は前記シャフトに対して固定されており、
前記第２の界磁用磁石は前記シャフトに対して可動自在に設けられており、
前記第２の界磁用磁石と前記シャフトは、前記シャフトにもたせたボルト機能と、前記第２の界磁用磁石にもたせたナット機能との関係からなるねじ機能によってお互いに接続されている
ことを特徴とする工作機械。
【請求項４】
請求項３に記載の工作機械において、
前記第２の界磁用磁石の側面には、前記第２の界磁用磁石の所定以上の変位を防止するためのストッパーが設けられており、
前記ストッパーは前記シャフトに対して平行に可変する
ことを特徴とする工作機械。
【請求項５】
請求項４に記載の工作機械において、
前記ストッパーは、回転速度に応じて前記シャフトと平行にサーボ機構によって可変させられる
ことを特徴とする工作機械。
【請求項６】
請求項１に記載の工作機械において、
前記コントローラは、前記第１の界磁用磁石と前記第２の界磁用磁石とのずれに基づいた合成磁極位置のずれに応じて電流供給の進角を制御する
ことを特徴とする工作機械。
【請求項７】
請求項３に記載の工作機械において、
前記第２の界磁用磁石と前記シャフトとの間には、回転運動と往復運動の複合運動を案内するための支持機構が複数設けられている
ことを特徴とする工作機械。
【請求項８】
請求項３に記載の工作機械において、
前記第２の界磁用磁石と前記シャフトとの間には、それらの間を電気的及び磁気的に絶縁するためのスリーブが設けられており、
前記スリーブは前記第２の界磁用磁石の内周側に固定されている
ことを特徴とする工作機械。
【請求項９】
請求項８に記載の工作機械において、
前記スリーブは、鉄よりも電気抵抗率が高い非磁性体である
ことを特徴とする工作機械。
【請求項１０】
請求項３に記載の工作機械において、
前記第２の界磁用磁石の前後には、前記第２の界磁用磁石の回転運動と往復運動の複合運動を案内するばねが設けられている
ことを特徴とする工作機械。
【請求項１１】
請求項３に記載の工作機械において、
前記第１の界磁用磁石の側面で前記第２の界磁用磁石と接する側面には凹部が設けられており、
前記第２の界磁用磁石の側面で前記第１の界磁用磁石と接する側の側面には突起部が設けられており、
前記突起部は、前記第２の界磁用磁石と前記シャフトとの間を電気的及び磁気的に絶縁するためのスリーブを兼ねている
ことを特徴とする工作機械。
【請求項１２】
請求項４に記載の工作機械において、
前記ストッパーは、前記第２の界磁用磁石と前記シャフトに対して回転運動と往復運動の複合運動を案内する支持機構を備えている
ことを特徴とする工作機械。
【請求項１３】
請求項３に記載の工作機械において、
前記第２の界磁用磁石を有する回転子と前記固定子との間のエアギャップは、前記第１の界磁用磁石を有する回転子と前記固定子との間のエアギャップよりも大きい
ことを特徴とする工作機械。
【請求項１４】
請求項５に記載の工作機械において、
前記ストッパーと前記サーボ機構は前記第２の界磁用磁石の内周側に設けられている
ことを特徴とする工作機械。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は永久磁石を界磁に用いた電動機に係り、特に工作機械の駆動，発電を行う電動機およびその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術による永久磁石電動機において、誘導起電力Ｅは回転子に配置されている永久磁石が発生する一定磁束Φと電動機の回転角速度ωによって決定される。つまり、電動機の回転角速度ω（回転数）が上昇すると、電動機の誘導起電力は比例して上昇する。
【０００３】
よって、低速領域で高トルクが得られるが、回転数の上昇に伴い誘導起電力が上昇するため、インバータの出力電圧の制限を受け可変速範囲が狭いために高速領域の運転は困難であったが、弱め界磁制御により高速運転領域を広げる。
【０００４】
また、工作機械の主軸電動機は広い速度範囲で所定の出力を確保するためにギア機構を備えて、さまざまな加工条件に対応できるようにした。最近では、主軸電動機の各相巻線を主軸の回転速度に応じて巻線切り換え装置を用いて、低速用巻線と高速用巻線に切り換えて駆動するようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術で述べた弱め界磁制御により高速運転領域を広げることは、永久磁石電動機においては、磁束弱め電流（電機子のｄ軸電流）により可能であるが、それによる発熱や効率低下などにより限界がある。
【０００６】
また、航空機用アルミ合金などの難切削材加工のような時は、高速回転が望ましいが永久磁石の誘導起電力の上昇により限界がある。
【０００７】
広い速度範囲で所定の出力を確保するためにギア機構を備えると、機械的な部品点数が多く、騒音振動の問題などがある。
【０００８】
各相巻線を主軸の回転速度に応じて巻線切り換え装置を用いた場合は、電動機本体からのリード線の数が多く、さらに巻線切り換え制御装置とその構造が複雑になる問題点などがある。
【０００９】
本発明は、広い速度範囲で所定の出力を確保出来る電動機を備えた工作機械を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、工具と加工物とを相対的に移動して前記加工物に所望の加工を施す工作機械において、工具が装着される主軸と、この主軸の頭に設けられると共に、主軸を回転駆動する電動機と、この電動機の駆動を制御するインバータと、このインバータを制御するコントローラと、使用する前記工具ごとにその使用条件に合った電動機の出力の大きさを予め設定するための工具データ設定手段とを備え、電動機は、一次巻線及び固定子磁極を有する固定子と、固定子磁極に対向する界磁用磁石及びシャフトを有すると共に、界磁用磁石が、回転方向に順次異なった極性の磁極が並んでいる第１の界磁用磁石と、この第１の界磁用磁石に対して相対回転が可能で、回転後方に順次異なった磁性の磁極が並んでいる第２の界磁用磁石とを含み構成された回転子と、第１の界磁用磁石と第２の界磁用磁石との間の磁気作用力と回転子に発生するトルクとの釣合いに応じて、第１の界磁用磁石に対して第２の界磁用磁石を軸方向及び回転方向に変位させる変位機構とを有し、変位機構は、電動機の駆動速度又は負荷状態による回転子の回転方向に応じて、第１の界磁用磁石と第２の界磁用磁石との間の磁気作用力と回転子に発生する回転トルクとの釣合いにより第１の界磁用磁石と第２の界磁用磁石の同じ極性の各磁極の磁極中心を並ばせる変位機能と、回転子の発生する回転トルクの方向が反対になることにより第１の界磁用磁石と第２の界磁用磁石の同じ極性の各磁極の磁極中心をずらす変位機能とを備えていることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態について説明する。
【００１２】
図１は本実施例の永久磁石形同期電動機を配置した工作機械の概略を示したものである。
【００１３】
図１に示す工具３を装着する主軸１と、前記主軸頭に設けられ、前記主軸を回転駆動する主軸電動機２と、前記主軸電動機２を駆動する電気駆動回路（インバータ）７４、前記インバータ制御するコントローラ７５と、使用する前記工具毎にその使用条件に合った前記電動機の出力の大きさを予め設定する工具データ設定手段である操作ペンダント７６と、前記工具と加工物とを相対的に移動させるＸ軸送り電動機７１，Ｙ軸送り電動機７２，Ｚ軸電動機７３などで構成されている。ここに、工具交換装置は省略する。
【００１４】
この様な構成とすることで、操作ペンダント７６から設定された工具データや加工指令により、主軸電動機，各軸送り電動機などを運転させるが、工具の種類や加工物の材質，作業内容によって、主軸電動機２は広範囲可変速回転を行う。
【００１５】
図２は図１の電動機の回転子同磁極中心がずれた場合の概略を示す。
【００１６】
固定子鉄心１０には電機子巻線１１がスロット内に巻装されており、内部に冷媒が流れる冷却路１２をもったハウジング１３に結合されている。
【００１７】
永久磁石埋め込み型回転子２０はシャフト２２に固定した第１回転子２０Ａとシャフト２２と移動自在に結合する第２回転子２０Ｂからなる。勿論、永久磁石埋め込み型回転子のみならず、表面磁石型回転子でも良い。
【００１８】
第１回転子２０Ａには、永久磁石２１Ａが回転方向に順次異なった極性の磁極が並んでいる。同じく、第２回転子２０Ｂには、永久磁石２１Ｂが回転方向に順次異なった極性の磁極が並んでいる。第１の界磁用磁石と第２回転子の２つの回転子を同一軸上に配置した界磁用磁石は固定子磁極に対向している。
【００１９】
第２回転子２０Ｂの内径側はナット部２３Ｂとなり、それに当たるシャフトにはボルトのネジ部２３Ａとなり、お互いにネジの機能を持たせると、第２回転子２０Ｂはシャフトに対して回転しながら軸方向に移動可能である。
【００２０】
また、第２回転子２０Ｂが固定子の中心から所定の変位以上はみ出さないように前記第２回転子２０Ｂの側面から離れたところにはストッパー２４を設ける。さらに、サーボ機構であるストッパー駆動用アクチュエータ２５を設けて、前記ストッパー２４をシャフトと平行に左右に移動可能にすれば、第１の界磁用磁石と第２の界磁用磁石との磁極中心がずれる値を変えることが出来る。結果的には、電機子巻線１１がスロット内に巻装されている固定子に対して、第１の界磁用磁石と第２の界磁用磁石からなる全体の有効磁束量を制御可能である。
【００２１】
上記の構造にすることで、トルクの方向に応じて永久磁石の有効磁束量が変化する原理について述べる。
【００２２】
基本的に固定子には電機子巻線と回転子には永久磁石を用いる電動機において、電動機として働く時と、発電機（回生制動）として働く時において、回転子の回転方向が同じであれば、電動機として働く時と、発電機として働く時の回転子が受けるトルクの方向は反対になる。
【００２３】
また、同じ電動機として働く時、回転子の回転方向が反対になれば、トルク方向も反対になる。同じく、同じ発電機として働く時、回転子の回転方向が反対になれば、トルク方向も反対になる。
【００２４】
上記に説明した回転方向とトルク方向による基本理論を本発明の実施形態に係る工作機械の電動機に適用すると以下の通りである。
【００２５】
大きなトルクが必要とされる低速回転領域において運転する時は、図３に示すように、第１回転子２０Ａと第２回転子２０Ｂの同磁極の中心が揃うようにして、固定子磁極と対向する永久磁石による有効磁束量を最大にして、高トルク特性が得られる。
【００２６】
次に、航空機用アルミ合金などの難切削材加工のような高速回転領域において運転する時は、
図４に示すようにシャフト２２に対して第２回転子２０Ｂはボルトのネジ部からナット部が外れるように第１回転子２０Ａと第２回転子２０Ｂの間の間隔が広がりながら同磁極の中心がずれて、固定子磁極と対向する永久磁石による有効磁束量を少なくすることになり、言い換えると弱め界磁効果があり、高回転領域において高出力特性が得られる。
【００２７】
第１回転子２０Ａと第２回転子２０Ｂの間の間隔が広がりながら同磁極の中心がずれて、固定子磁極と対向する永久磁石による有効磁束量が少ない状態の概略を図４に示す。
【００２８】
図３と図４の左下にはボルトの頭部６１，ボルトのネジ部６０とナット部６２に関係した図を示すが、ボルトの頭部６１は第１回転子２０Ａ，ナット部６２は第２回転子２０Ｂに相当するものである。ボルトのネジ部６０（図２内の２３Ａに相当する）が同じ方向に回転するとすれば、ナット部６２にかかるトルクの方向によって該ナット部６２は締まったり外れたりするように、第２回転子２０Ｂも回転子のトルク方向によって同じ動きをする。
【００２９】
また、電動機として回転する場合、正回転と逆回転の時はトルクの方向が反対になり正回転の時に図３に示す状態ならば、逆回転の場合は図４の状態になる。
【００３０】
勿論、第２回転子２０Ｂの内径側はナット部２３Ｂとなり、それに当たるシャフトにはボルトのネジ部２３Ａとなり、お互いにネジの機能を持たせてあるため、ネジの方向を反対にすれば（例えば右ネジから左ネジ）図３と図４の状態が反対になるが、同様に同じ効果が得られる。
【００３１】
例えば、正回転で大きなトルクが必要とされる低速回転領域において運転する時は、図３に示すように、第１回転子２０Ａと第２回転子２０Ｂの同磁極の中心が揃うようにしたネジの組合せにすれば、固定子磁極と対向する永久磁石による有効磁束量を多くして、高トルク特性が得られる。
【００３２】
次に、逆回転になれば、航空機用アルミ合金などの難切削材加工のような高速回転領域において運転する時は、図４に示すようにシャフト２２に対して第２回転子２０Ｂはボルトのネジ部からナット部が外れる方向に第１回転子２０Ａと第２回転子２０Ｂの間の間隔が広がりながら同磁極の中心がずれて、固定子磁極と対向する永久磁石による有効磁束量を少なくすることになり、言い換えると弱め界磁効果があり、高回転領域において高出力特性が得られる。
【００３３】
本発明の電動機による誘導起電力の作用について説明する。
【００３４】
図５に永久磁石形同期電動機の回転角速度に対する有効磁束，誘導起電力，端子電圧の特性を示す。
【００３５】
永久磁石形同期電動機の誘導起電力Ｅは回転子に配置されている永久磁石が発生する一定磁束Φと電動機の回転角速度ωによって決定される。つまり図５(ａ)に示す様に、永久磁石が発生する磁束Φ１が一定ならば、回転角速度ω(回転数)が上昇すると、電動機の誘導起電力Ｅ１は比例して上昇する。
【００３６】
しかし、電源の端子電圧とインバータの容量などからインバータの出力電圧には制限があり、電動機が発生する誘導起電力も制限がある。その為永久磁石形同期電動機では、ある回転数以上の領域では永久磁石が発生する磁束を減らす為、ｄ軸電機子電流を流すいわゆる弱め磁束制御を行わなくてはならない。
【００３７】
誘導起電力が回転角速度に比例して上昇する為、弱め磁束制御のｄ軸電機子電流も大きくしなければならない故に、１次導体であるコイルに大電流を流す必要があり、おのずとコイルの発生する熱が増大する。そのため、高回転領域における電動機としての効率の低下，冷却能力を超えた発熱による永久磁石の減磁等が起こりうる可能性がある。
【００３８】
例えば、図５（ａ）に示す様に、回転子に配置されている永久磁石が発生する磁束Φ１がある回転角速度ω１（回転数）のポイントで磁束Φ２に変わると、電動機の誘導起電力Ｅ１から誘導起電力Ｅ２特性に変化することで誘導起電力の最大値を制限することが可能である。
【００３９】
図５（ｂ）は同様に回転角速度ω（回転数）に応じてより細かく磁束Φが変われば、誘導起電力Ｅも一定に保つことが可能であることの概略を示す。
【００４０】
更に、図５（ｂ）に示した特性を得る手段の実施例の一つとして、前記第１の界磁用磁石はシャフトに固定し、前記第２の界磁用磁石はシャフトと可動自在に結合すると共に、シャフトにはボルトのネジ部と第２の界磁用磁石の内周側にはナット部を設けお互いにネジの機能を持たせ、第２の界磁用磁石の側面から離れたところにはストッパーを設け、ストッパーを回転速度に応じてシャフトと平行に移動可能なサーボ機構を持たせたアクチュエータを用いることで可能である。
【００４１】
図６に主軸電動機の制御回路の構成図を示す。
【００４２】
図６は図１の電動機２の制御ブロック図を示したものであり、本発明の電動機を主軸電動機２のみならず、各軸送り電動機７１，７２，７３に適用した場合でも同様である。
【００４３】
まず、操作ペンダント（図１内の７６）から設定された情報，主軸及び各軸送り装置に設けられているセンサからの情報（工具番号，位置情報，etc ）、および永久磁石形同期電動機２の回転数を基に、運転判断部１０１が永久磁石形同期電動機２の運転動作を判断して電流指令値を出力する。運転判断部１０１から出力された電流指令値は、現在の永久磁石形同期電動機２の電流値との差分に応じて出力電圧指令を演算し出力する電流制御ブロック１０２に入力する。
【００４４】
電流制御ブロック１０２からの出力は回転座標変換部１０３で３相の交流に変換され、ＰＷＭインバータ主回路１０４を介して永久磁石形同期電動機２を制御する。また、永久磁石形同期電動機２の各相の電流（少なくとも２相の電流）および回転数（タービン回転数でもよい。また変速機がある場合にはタービン回転数の逓倍した値を用いても良い。）を検出し、各相の電流は２軸変換ブロック
１０５で、２軸電流に変換し、電流指令値にフィードバックしている。また、回転数，磁極位置らは検出器１０６で検出され、磁極位置変換部１０７と速度変換部１０８らを通して各制御ブロックにフィードバックされる。
【００４５】
尚、図６における実施例では、電動機２の位置・速度センサ、ならびに電動機の電流センサがある場合のものを示したが、これらの一部のセンサを排除し、センサレスにより電動機２を駆動するタイプの制御構成のものでも、同様に実施可能である。
【００４６】
また、本発明の永久磁石形同期電動機は、運転状況に応じて第１回転子と第２回転子の両磁極中心を揃えたり、ずらせたりすることになるので、前記第１の界磁用磁石と第２の界磁用磁石との合成磁極位置のずれに応じて前記インバータを制御するコントローラによる電流供給の進角を補正する機能を持つ。
【００４７】
電流供給の進角を補正する実施例について述べる。
【００４８】
前記第１の界磁用磁石はシャフトに固定し、前記第２の界磁用磁石はシャフトと可動自在に結合すると共に、シャフトにはボルトのネジ部と第２の界磁用磁石の内周側にはナット部になりお互いにネジの機能を持たせると、第２の界磁用磁石は回転しながら軸方向に移動する。
【００４９】
運転状況に応じて第１回転子と第２回転子の磁極中心が一致したり、ずれたりする場合の回転角と軸方向変位量の関係を図１３に示す。
【００５０】
図１６において、第２回転子の回転角θと軸方向変位量ΔＬは比例関係であり、変位測定器６４を用いて軸方向変位量ΔＬを測定し、インバータのコントローラにフィードバックされ第１の界磁用磁石と第２の界磁用磁石との合成磁極位置のずれ角に換算した値として、電流供給の進角を補正する最適制御に用いる。
【００５１】
図７は本発明の他の実施形態をなす電動機を示す。
【００５２】
前記第１回転子２０Ａはシャフト２２に固定し、前記第２回転子２０Ｂはシャフト２２と可動自在に結合すると共に、シャフトの一部にはボルトのネジ部23Ａと第２の界磁用磁石の内周側にスリーブ４１を固定し、かつスリーブ４１の内側にナット部２３Ｂを固定したものを一体化すれば、シャフト２２に対して第２回転子２０Ｂはボルトのネジ部からナット部が外れる方向に第１回転子２０Ａと第２回転子２０Ｂの間の間隔が広がりながら回転する。
【００５３】
第２の界磁用磁石の内周側とシャフト２２間にはわずかな遊びがあることで、回転と共に第２の界磁用磁石の内周側とシャフト２２間に鎖交磁束変化が生じると、電食等の障害があるが、前記スリーブ１１は鉄より電気抵抗率が高い非磁性体を用いることで、第２の界磁用磁石の内周側とシャフト２２間には磁気的にも、電気的にも絶縁を行う効果がある。
【００５４】
前記第２の界磁用磁石と前記シャフト間には回転運動と往復運動及び複合運動を案内出来るようにスリーブ４１の内側に支持機構４０Ａ，４０Ｂを備えた。
【００５５】
第２回転子２０Ｂはシャフトの一部にボルトのネジ部２３Ａを設け、これとお互いにネジの機能を持たせて、第２の界磁用磁石の側面から離れたところには移動可能なストッパー２４を設ける。ストッパー２４とシャフト間、ストッパーと第２回転子２０Ｂの側面間には回転運動と往復運動及び複合運動を案内出来るように支持機構４２，４７を設ける。支持機構４２はスラスト軸受の機能を持ち、支持機構４７はラジアル軸受でありながら回転運動と往復運動及び複合運動を案内する機能を持つ。
【００５６】
さらに、ばね４８を設けることで、支持機構４２はスラスト軸受としてその機能が向上する効果がある。
【００５７】
ストッパー２４はシャフトと平行に移動可能なサーボ機構の一例として電磁クラッチについて述べる。
【００５８】
電磁クラッチの構成は、ヨーク４４にコイル４６が巻かれて、ストッパー２４は可動鉄心の機能を兼用することで良い。ヨーク４４とコイル４６は電動機のフレーム４９、若しくは車体の一部に（図に示せず）固定し、ヨーク４４とストッパー２４の間にばね４５を備えて励磁遮断時の復帰装置の機能を持つ。電動機のフレーム４９とシャフト２２の間には軸受５０で支える。
【００５９】
図７はコイル４６に無励磁状態の概略であり、図８はコイル４６に励磁状態の概略を示す。
【００６０】
コイル４６を励磁することでヨーク４４は強力な電磁石となり、可動鉄心の機能を兼用するストッパー２４を吸引する。
【００６１】
ここに示した電磁クラッチはストッパー２４をシャフトと平行に可変可能なサーボ機構の一例であり、油圧アクチュエータ，回転機とボールネジなどによる直線駆動装置，リニアモータなどを用いることで、より細かなストッパーの位置決めが可能である。
【００６２】
図９は第２回転子２０Ｂの内側に固定されるスリーブ４１の一例を示す。
【００６３】
それらの固定方法の一つとして、第２回転子２０Ｂとスリーブ４１からなる２つの部品の接する面のお互いに凸凹を設けて固定した。また、シャフト２２に固定した第１回転子２０Ａとシャフト２２と分離した第２回転子２０Ｂの内側違いの概略を示す。
【００６４】
図１０は本発明の他の実施例を示す。
【００６５】
前記第１の界磁用磁石と前記第２の界磁用磁石が接する前記第１の界磁用磁石側面に凹部５３を設け、前記第２の界磁用磁石には前記スリーブの機能を兼ねた突起部５４を設けた構造である。突起部５４はスリーブ４１と一体ものでも良いし、第２回転子２０Ｂと一体ものでも良い。よって、スリーブ４１の十分なスペースが確保出来、ばね４８、支持機構４０Ａ，４０Ｂ、ナット部２３Ｂらを有効に配置することで、第２回転子２０Ｂの軸長積厚が薄い電動機に有効な手法の一つである。
【００６６】
図１１は本発明の他の実施例を示す。
【００６７】
図１１に示す基本構成要素は図７と同じであるが、電磁クラッチに相当する一部を変更した一例である。図１１はコイル４６が励磁状態であり、励磁遮断時はばね４５によりヨーク４４とストッパー２４は切り離れる。また、第２回転子２０Ｂにトルクが加わるボルトのネジ部２３Ａとナット部２３Ｂの相互作用によるネジの機能により推力が得られる特性を持つ。よって、ネジとトルクの相互関係でストッパー２４を押し出す推力が加われば、コイル４６の励磁を遮断するとストッパー２４はヨーク４４と切り離れる。ヨーク４４はアーム５２を介してフレーム４９、若しくは主軸の一部に（図に示せず）固定される。
【００６８】
図１１に示す電磁クラッチは、図７，図８の説明と同じくストッパー２４をシャフトと平行に可変可能なサーボ機構の一例であり、油圧アクチュエータ，回転機とボールネジなどによる直線駆動装置，リニアモータなどを用いることで、より細かなストッパー２４の位置決めが可能である。
【００６９】
図１２は本発明の他の実施例を示す。
【００７０】
図１２はストッパー２４を固定した一例であり、ストッパー２４と第２回転子２０Ｂの間、第１回転子２０Ａと第２回転子２０Ｂの間には、ばね４８，ばね５１を複数個設けることで、第２回転子２０Ｂの急激な変動を押さえたり、トルク方向による動きを補助する効果がある。
【００７１】
勿論、各図に示した各々の構成要素は様々な方法で組合わせることが可能であり、用途に合わせて加えたり、取り外すことは言うまでもない。
【００７２】
図１３は本発明の他の実施形態をなす電動機を示す。
【００７３】
本発明の電動機の特徴として、第１回転子２０Ａはシャフト２２に対してしっかり固定されているのに対して、第２回転子２０Ｂはシャフト２２に対して自由度を持つことになる。従って、第２回転子２０Ｂとシャフト２２間にはわずかな機械的な寸法の遊びがあり、大きなトルクや遠心力などが加わると偏心することもあり得る。よって、第１の界磁用磁石を有する第１回転子２０Ａと前記固定子間のエアギャップＧａｐ１より第２の界磁用磁石を有する第２回転子２０Ｂと前記固定子間のエアギャップＧａｐ２の方が大きくしたことで、偏心による第２回転子２０Ｂと前記固定子との機械的な接続を省く効果がある。
【００７４】
図１４は本発明の他の実施形態をなす回転電機を示す。
【００７５】
前記図２に示した第２回転子のネジ部２３をなくし、回転角θ分可変できる機構を設けたことを特徴とする永久磁石形同期回転電機である。
【００７６】
前記図２に示した第２回転子のネジ部分の代わりに、シャフト２２に歯車のように凹凸を設けて、第２回転子２０Ｂの内径側にはシャフトが挿入できるように凸凹を設ける。ただし、シャフト２２を第２回転子２０Ｂの内径側に挿入したときには、かみ合う歯の幅より溝の幅を大きくして所定の回転角θ分可変できるようにする。さらに、かみ合う歯と溝の間にはスプリング２６とダンパー２７を設けることで、急な衝突を和らげる効果がある。
【００７７】
図１８は本発明の他の実施形態をなす電動機を示す。
【００７８】
本発明の電動機の特徴として、第２回転子２０Ｂの外周側の長さより内周側の長さを短くし、第２回転子２０Ｂ内側にストッパー２４とサーボ機構２５を備えた構造である。よって、ストッパー２４とサーボ機構２５による回転子全体の軸方向長さを押さえる効果がある。
【００７９】
以上の本発明の説明では、４極機を対象に述べたが、２極機、又は、６極機以上に適用出来る事は言うまでもない。一例として、図１５には本発明を８極機に適用した場合の永久磁石形同期電動機の回転子概略図を示す。また、回転子においては埋め込み磁石形でも、表面磁石形でも適用出来る事は言うまでもない。
【００８０】
図１７は主軸電動機としては本発明の電動機を用いて、軸送り機構としてはリニアモータを用いた概略を示す。
【００８１】
最近、回転機とボールネジの組合せによる軸送り装置よりも、リニアモータによるダイレクト軸送りが静かで移送速度も早い等のメリットが多くあり、リニアモータを採用した工作機械が増えている。
【００８２】
勿論、ある軸はリニアモータによる軸送り、他方の軸は回転機とボールネジの組合せによる軸送りを用いる複合型軸送り装置でも良い。
【００８３】
【発明の効果】
本発明の永久磁石形同期電動機は第１の界磁用磁石と第２の界磁用磁石の磁極中心を変化させるという構成により、固定子磁極と対向する永久磁石による有効磁束量を可変出来、広範囲可変速制御が要求される工作機械の電動機に適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態をなす電動機と工作機械とのレイアウト図を示す。
【図２】図１の電動機の全体概略を示す。
【図３】図１の電動機の回転子同磁極中心が揃った場合概略を示す。
【図４】図１の電動機の回転子同磁極中心がずれた場合概略を示す。
【図５】図１の電動機の回転角速度に対する諸特性を示す。
【図６】図１の電動機の制御ブロック図を示す。
【図７】本発明の他の実施形態をなす電動機を示す（アクチュエータＯＦＦ状態）。
【図８】本発明の他の実施形態をなす電動機を示す（アクチュエータＯＮ状態）。
【図９】本発明の他の実施形態をなす電動機の回転子の内側を示す。
【図１０】本発明の他の実施形態をなす電動機の回転子の内側を示す。
【図１１】本発明の他の実施形態をなす電動機を示す（アクチュエータＯＮ状態）。
【図１２】本発明の他の実施形態をなす電動機を示す。
【図１３】本発明の他の実施形態をなす電動機の回転子概略図を示す（Ｇａｐの差を付ける）。
【図１４】本発明の他の実施形態をなす電動機の回転子の概略図を示す。
【図１５】本発明の他の実施形態をなす電動機の回転子概略図を示す（８極機に適用した場合）。
【図１６】本発明の他の実施形態をなす電動機の軸方向変位測定の概略図を示す。
【図１７】本実施例の電動機を配置した他の工作機械の概略を示す(リニアモータ軸送り)。
【図１８】本発明の他の実施形態をなす電動機の回転子概略図を示す（ストッパーを第２回転子の内側に備える）。
【符号の説明】
２…電動機、４…インバータ、１０…固定子鉄心、１１…電機子巻線、１２…冷却水流路、１３…ハウジング、２０…回転子、２０Ａ…第１回転子、２０Ｂ…第２回転子、２１…永久磁石、２１Ａ…第１回転子永久磁石、２１Ｂ…第２回転子永久磁石、２２…シャフト、２３…ネジ、２４…ストッパー、２５…ストッパー駆動用アクチュエータ、９０…圧縮機、９１…タービン、１０１…運転判断部、１０２…電流制御、１０３…回転座標変換部、１０４…ＰＷＭインバータ主回路、１０５…２軸変換部。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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