JP4648470B2

JP4648470B2 - 電動機冷却装置

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Publication number: JP4648470B2
Application number: JP2009159076A
Authority: JP
Inventors: 尚志前田; 洋平有松; 健司河合
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2009-07-03
Filing date: 2009-07-03
Publication date: 2011-03-09
Anticipated expiration: 2029-07-03
Also published as: DE102010025650A1; CN101944799A; JP2011015578A; DE102010025650B4; CN101944799B

Description

本発明は、電動機の周囲の冷却媒体の流れにより電動機を冷却する電動機冷却装置に関する。

従来、ステータコアの外周部を筒状のケーシングにより包囲し、このケーシングの内周面に冷却液が流れる冷却通路を加工して、電動機を冷却するようにした装置が知られている（例えば特許文献１参照）。この特許文献１記載の装置では、冷却通路としてケーシング内周面に、軸方向一端部から他端部に進行した後、軸方向他端部から一端部へ戻り、さらに軸方向一端部から他端部へと進行するような螺旋状の溝を形成する。

特開２００５−２０４４９６号公報

しかしながら、上記特許文献１記載の装置では、軸方向一端部と他端部との間を往復して螺旋状の溝が形成されるので、冷却通路の長さが長くなる。その結果、圧力損失が増大して、必要流量を流すことが困難になる。また、冷却液は流れ方向にかけて徐々に昇温するため、冷却通路の長さが長くなると、通路後半部において十分な冷却効果が得られない。

本発明は、内側に主たる発熱源である巻線を有する固定子が配設された第１の筒状部材と、第１の筒状部材の外周面に嵌合される、円筒状の空洞を有する第２の部材と、第１の筒状部材と第２の部材との嵌合面に形成され、軸方向一端側から軸方向他端側にかけて冷却媒体が通過する冷却通路とを備え、冷却通路は、周方向に旋回しつつ軸方向一端部から軸方向他端部にかけて軸方向に進行し、互いに交差することがないように並列に、かつ、互いに略平行となるように形成された複数の螺旋状通路であって、第１の筒状部材の外周面を除去加工して得られた多条螺旋溝によって形成された複数の螺旋状通路と、第１の筒状部材と第２の部材との嵌合面の軸方向一端部および軸方向他端部に、複数の螺旋状通路を挟んでそれぞれ全周にわたって形成され、冷却媒体の入口部および出口部と複数の螺旋状通路の各々の軸方向一端部および軸方向他端部とをそれぞれ連通させる一対の環状通路とを有することを特徴とする。

本発明によれば、固定子の外側に冷却通路として複数の螺旋状通路を並列に設けるので、各冷却通路の長さが短くなり、冷却媒体の流れによる冷却効果を高めることができる。

本発明の実施の形態に係る電動機冷却装置の構成を示す断面図である。本実施の形態に係る電動機冷却装置を構成する冷却ジャケットと冷却ハウジングの斜視図である。図２の冷却ジャケットの外周面の展開図である。（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ１条溝、３条溝、８条溝の螺旋状通路の拡大断面図である。

以下、図１〜図４を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態に係る電動機冷却装置が適用される電動機Ｍの構成を概略的に示す断面図である。この電動機Ｍは、筒状のステータ１と、ステータ１の内側に回転可能に支持される図示しないロータとを有する。

ステータ１は、電磁鋼板などの薄板状の磁性体を積層してなるステータコア１１と、ステータコア１１に集中巻または分布巻きにて巻回される巻線１２とを有し、ステータコア１１と巻線１２は、熱伝導性のよい材料を混合した樹脂１３で覆われている。ステータ１の端部からは動力線１４が取り出され、動力線１４を介して巻線１２へ外部から駆動電流を供給することにより、ロータの周囲に回転磁界を形成し、ロータを回転させる。

このような電動機Ｍは、ステータコア１１の鉄損と巻線１２の銅損とに起因して発熱するため、電動機Ｍを冷却して電動機Ｍの発熱を抑える必要がある。特に、電動機Ｍを工作機械の主軸駆動用として用いる場合には、工作機械の主軸が伝熱により熱変形すると加工精度に悪影響を与えるため、電動機Ｍの発熱を抑える必要性が高い。本実施の形態では、以下のように冷却装置２を構成して電動機Ｍを冷却する。

冷却装置２は、ステータ１の外周面に嵌合される略円筒形状の冷却ジャケット２０と、冷却ジャケット２０の外周面に嵌合される冷却ハウジング３０とを有する。図２は、冷却ハウジング３０を冷却ジャケット２０から分解した状態を示す斜視図である。冷却ハウジング３０は、冷却ジャケット２０を内包するための円筒状の空洞を内部に備えている以外は、外側の形状は円筒形状である必要はなく、したがって外形は角型であったり、例えば工作機械の主軸の場合は、主軸を支える構造材の一部であったりするなど、その外形形状は限定されない。

図２に示すように冷却ジャケット２０の外周面には、周方向に旋回しつつ軸方向一端側から他端側へと進行する螺旋状の溝２１（螺旋溝）が形成され、その螺旋溝２１の軸方向両外側には、それぞれ全周にわたって環状の溝２２，２３（環溝）が形成されている。さらに、環溝２２，２３の軸方向両外側には、それぞれＯリング取付用の溝２４，２５が形成されている。これらの溝２１〜２５は、例えばミリング軸を有する複合旋盤などによって加工される。なお、図１では、螺旋溝２１よりも環溝２２，２３の深さが深い場合を示し、図２では、螺旋溝２１と環溝２２，２３を同一深さとして示している。

冷却ハウジング３０の軸方向一端側および他端側には、冷却ジャケット２０に冷却ハウジング３０を嵌合した際の環溝２２，２３の位置に合致するように、それぞれ周方向に複数（図では３個）の貫通孔３１，３２が開口されている。貫通孔３１，３２は、それぞれ後述する冷却通路の入口部ＰＡ４および出口部ＰＡ５を構成する。

冷却ジャケット２０は、例えば締まりばめによりステータ１の外周面に嵌合固定され、冷却ハウジング３０も、例えば締まりばめにより冷却ジャケット２０の外周面に嵌合固定される。なお、組立性を考慮して、冷却ハウジング３０を隙間ばめ、あるいは中間ばめとして冷却ジャケット２０の外周面に嵌合してもよい。

図１に示すように冷却ハウジング３０を冷却ジャケット２０に嵌合すると、その嵌合面には、冷却ハウジング３０の内周面と冷却ジャケット２０の溝２１〜２３とにより軸方向一端側から他端側にかけて冷却通路が形成される。すなわち、冷却ジャケット２０の螺旋溝２１により螺旋状通路ＰＡ１が、環溝２２，２３により環状通路ＰＡ２，ＰＡ３がそれぞれ形成される。

図示は省略するが、冷却通路の各入口部ＰＡ４（貫通孔３１）には、配管を介してポンプ等の冷却液の供給源が接続され、冷却通路の各出口部ＰＡ５（貫通孔３２）には、配管を介してタンク等の冷却液の回収部が接続される。したがって、入口部ＰＡ４を介して冷却通路内に外部から冷却液を供給すると、冷却液は環状通路ＰＡ２、螺旋状通路ＰＡ１、環状通路ＰＡ３を順次流れ、出口部ＰＡ５を通過して外部に流出する。この冷却液の流れにより冷却ジャケット２０の表面から奪熱され、電動機Ｍが冷却される。なお、複数の入口部ＰＡ４および出口部ＰＡ５は、例えば分岐配管を介して冷却液の供給源および回収部にそれぞれ接続され、各入口部ＰＡおよび各出口部ＰＡ５には互いに均等に冷却液が流出入する。

このような冷却装置の構成では、冷却液の流量が多いほど、かつ、フィン部としての冷却通路の表面積が大きいほど、冷却効果が高まる。この点につき、単に冷却通路の表面積を大きくするだけであれば、例えば１条溝により螺旋状通路ＰＡ１を形成してその通路ピッチｐ（軸方向に隣り合う通路間の距離）を小さくしたり、螺旋溝２１を深く形成することで可能である。

しかし、通路ピッチｐを小さくすると、圧力損失が増大し、必要流量を流すことが困難となる。また、螺旋溝２１を深く形成するためには、冷却ジャケット２０の十分な厚さが必要であり、電動機全体の小型化が阻害されるだけでなく、溝加工の切削量が増大し、加工コストの上昇を招く。そこで、本実施の形態では、以下のように冷却ジャケット２０の表面に互いに交差することがないように並列に複数の螺旋溝２１（多条螺旋溝）を加工し、螺旋状通路ＰＡ１を並列通路に構成する。

図３は、冷却液の流れを模式的に示す冷却ジャケット２０の外周面の展開図であり、冷却ジャケット２０の外周表面に３条溝の螺旋状通路ＰＡ１１〜ＰＡ１３を加工した例を示している。これら螺旋状通路ＰＡ１１〜ＰＡ１３は互いに略平行に形成され、各通路ＰＡ１１〜ＰＡ１３の通路幅ｗ１、通路深さ（図４のｄ２）、通路の曲率（螺旋カーブ）、および隣り合う通路間の距離（通路ピッチｐ）は一定である。換言すると、各通路ＰＡ１１〜ＰＡ１３は、その開始位置の位相が例えば１２０°づつずれているだけで、互いに同一形状であり、冷却ジャケットの表面全体に螺旋状通路ＰＡ１１〜ＰＡ１３が密に形成されている。なお、図では通路幅ｗ１と各通路間のランド部の幅ｗ２をほぼ等しくしているが、ｗ１をｗ２よりも大きく、または小さくしてもよい。

図３において、入口部ＰＡ４を介して環状通路ＰＡ２に流入した冷却液は、各螺旋状通路ＰＡ１１〜ＰＡ１３に分流し、各螺旋状通路ＰＡ１１〜ＰＡ１３に沿ってそれぞれ実線、点線、および一点鎖線の矢印で示すように流れる。その後、これら冷却液は環状通路ＰＡ３で合流し、出口部ＰＡ５を介して流出する。

このような冷却液の流れにより電動機Ｍが冷却されるが、本実施の形態では、螺旋状通路ＰＡ１１〜ＰＡ１３が並列に設けられているため、図３に示すように冷却ジャケット２０の表面に通路ＰＡ１１〜ＰＡ１３を密に形成した場合でも、各通路ＰＡ１１〜ＰＡ１３の通路長さを抑えることができ、通路全体にわたり十分な冷却効果を得ることができる。

ここで、各通路ＰＡ１１〜ＰＡ１３の流路面積をそれぞれＳ１〜Ｓ３とすると、全体の流路面積Ｓは、Ｓ＝Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３となる。このため、十分な流路面積Ｓを確保することができ、冷却液の流量を減少させることなく、通路ピッチｐを小さくすることができる。通路ピッチｐが小さくなると、冷却通路全体の表面積が増大するため、冷却効果を高めることができる。

図４は、螺旋状通路ＰＡ１の拡大断面図であり、図４（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ螺旋状通路ＰＡ１を１条溝、３条溝、８条溝とした図である。これら各図の通路面積をそれぞれＳａ，Ｓｂ，Ｓｃとすると、通路全体の流路面積ＳはそれぞれＳａ，３×Ｓｂ，８×Ｓｃとなる。図４（ａ）〜（ｃ）は、これら全体の流路面積Ｓを互いにほぼ等しく設定している。このとき、３条溝の通路ピッチｐ２は、１条溝の通路ピッチｐ１の約１／２倍であり、８条溝の通路ピッチｐ３は、１条溝の通路ピッチｐ１の約１／３倍である。また、各図の溝深さｄ１〜ｄ３はｄ１＞ｄ２＞ｄ３となり、８条溝の溝深さｄ３は１条溝の溝深さｄ１の約半分である。

ここで、１条溝の通路全体の表面積および切削量を基準にすると、３条溝の通路全体の表面積および切削量はそれぞれ約１．２倍および約０．７倍となり、８条溝の通路全体の表面積および切削量はそれぞれ約１．２倍および約０．４倍となる。したがって、多条螺旋溝により冷却通路ＰＡ１を構成することで、全体の流路面積Ｓを変えずに表面積を増大できるだけでなく、切削量を減少できる。その結果、加工時間を短縮できるとともに、切削工具の磨耗を抑えることができ、加工コストを低減できる。なお、螺旋溝２１の条数は複数であれば３条や８条以外でもよく、必要な冷却性能と加工コストを考慮して決定される。

本実施の形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
（１）冷却ジャケット２０の外周面に互いに交差することがないように複数の螺旋溝２１を加工し、螺旋状通路ＰＡ１１〜ＰＡ１３を並列に形成した。これにより、各螺旋状通路ＰＡ１１〜ＰＡ１３の通路長さを長くすることなく、冷却通路の表面積を増大することができ、冷却効果を高めることができる。すなわち、仮に単一（直列）の螺旋溝２１により通路ピッチｐの小さい螺旋状通路ＰＡ１を形成する場合、冷却通路の全長が長くなり、圧力損失が大きくなる。その結果、必要量の冷却液を流すことが困難となり、電動機Ｍの十分な冷却効果が得られない。これに対し、本実施の形態では、螺旋状通路ＰＡ１１〜ＰＡ１３を並列に複数設けるので、全体の流路面積を確保しつつ、通路の圧力損失の増加を抑えることができ、電動機Ｍの十分な冷却効果を得ることができる。

（２）各螺旋状通路ＰＡ１１〜ＰＡ１３を互いに略平行となるように形成したので、螺旋状通路ＰＡ１が冷却ジャケット２０の外周面全体に均一に設けられ、電動機全体を効率よく冷却できる。
（３）螺旋状通路ＰＡ１の軸方向両側にそれぞれ環状通路ＰＡ２，ＰＡ３を設け、環状通路ＰＡ２，ＰＡ３を介して冷却液の入口部ＰＡ４および出口部ＰＡ５と螺旋状通路ＰＡ１の軸方向一端部および軸方向他端部とをそれぞれ連通させるようにしたので、各螺旋状通路ＰＡ１に冷却液を均等に流すことができ、十分な冷却効果が得られる。
（４）冷却液の入口部ＰＡ４および出口部ＰＡ５を、冷却ハウジング３０に周方向複数配設するようにしたので、冷却ジャケット２０の表面に大流量の冷却液を供給できる。

なお、図１では、環状通路ＰＡ２，ＰＡ３における圧力損失の増大を抑えるために、環状通路ＰＡ２，ＰＡ３を螺旋状通路ＰＡ１よりも深く形成し、環状通路ＰＡ２，ＰＡ３の流路面積を増大している。しかし、圧力損失が問題とならないのであれば、図２に示すように各通路ＰＡ１〜ＰＡ３の深さを等しくすることが、加工コストの点からは好ましい。

上記実施の形態では、冷却ジャケット２０の外周面に冷却通路ＰＡ１〜ＰＡ３としての溝２１〜２３を加工したが、その代わりに冷却ハウジング３０の内周面に、同様にして冷却通路としての溝を加工してもよく、あるいは冷却ジャケット２０の外周面と冷却ハウジング３０の内周面の両方に溝を加工してもよい。すなわち、第１の筒状部材としての冷却ジャケット２０と第２の部材としての冷却ハウジング３０の嵌合面に複数の螺旋状通路ＰＡ１が並列に形成されるのであれば、冷却ジャケット２０の内周面と冷却ハウジング３０の外周面の形状はいかなるものでもよい。ステータ１を第１の筒状部材として、ステータ１の外周嵌合面に螺旋状通路ＰＡ１を形成してもよい。

冷却ジャケット２０の内周面と冷却ハウジング３０の外周面の双方に溝を加工せずに、その嵌合面にコイル状に形成した複数の通路部材を位相をずらして挿入し、冷却ジャケット２０の内周面と冷却ハウジング３０の外周面と通路部材とにより螺旋状の複数の冷却通路ＰＡ１を形成してもよい。但し、通路部材を別に設けると、通路部材と冷却ジャケット２０との接触面における熱抵抗が大きく、熱伝導性が悪化するため、冷却通路は冷却ジャケット２０の溝加工により設けることが好ましい。

螺旋溝２１は、切削や研削、ホブ加工、レーザ加工や放電加工等により形成することができ、鋳造により形成することもできる。但し、螺旋溝２１を有する冷却ジャケット２０を鋳造によって製造した場合、クラックや巣が発生しやすいため、円筒形の管状部材から除去加工によって溝を形成することが、製品の信頼性の点では好ましい。

螺旋状通路ＰＡ１の軸方向両外側に環状通路ＰＡ２，ＰＡ３を設け、環状通路ＰＡ２，ＰＡ３を介して螺旋状通路ＰＡ１に冷却液を給排するようにしたが、環状通路ＰＡ２，ＰＡ３を省略して螺旋状通路ＰＡ１に冷却液を直接給排するようにしてもよい。冷却ハウジング３０に冷却液の出入口部ＰＡ４，ＰＡ５を設けたが、出入口部ＰＡ４，ＰＡ５の個数、形状、配置等、出入口部ＰＡ４，ＰＡ５の構成はいかなるものでもよい。冷却通路を流れる冷却媒体は水やオイル等の液体に限らず、気体でもよい。

以上の冷却装置は、工作機械の主軸駆動用の電動機Ｍだけでなく、工作機械以外の電動機Ｍにも同様に適用できる。すなわち、本発明の特徴、機能を実現できる限り、本発明は実施の形態の電動機用冷却装置に限定されない。

２０冷却ジャケット
２１螺旋溝
２２，２３環溝
３０冷却ハウジング
３１，３２貫通孔
ＰＡ１螺旋状通路
ＰＡ２，ＰＡ３環状通路
ＰＡ４入口部
ＰＡ５出口部

Claims

内側に巻線を有する固定子が配設された第１の筒状部材と、
前記第１の筒状部材の外周面に嵌合されるための円筒状の空洞を有する第２の部材と、
前記第１の筒状部材と前記第２の部材との嵌合面に形成され、軸方向一端側から軸方向他端側にかけて冷却媒体が通過する冷却通路とを備え、
前記冷却通路は、
周方向に旋回しつつ軸方向一端部から軸方向他端部にかけて軸方向に進行し、互いに交差することがないように並列に、かつ、互いに略平行となるように形成された複数の螺旋状通路であって、前記第１の筒状部材の外周面を除去加工して得られた多条螺旋溝によって形成された複数の螺旋状通路と、
前記第１の筒状部材と前記第２の部材との嵌合面の軸方向一端部および軸方向他端部に、前記複数の螺旋状通路を挟んでそれぞれ全周にわたって形成され、前記冷却媒体の入口部および出口部と前記複数の螺旋状通路の各々の軸方向一端部および軸方向他端部とをそれぞれ連通させる一対の環状通路とを有することを特徴とする電動機冷却装置。
請求項１に記載の電動機冷却装置において、
前記一対の環状通路は、前記第１の筒状部材の外周面に設けられた環溝により形成されることを特徴とする電動機冷却装置。
請求項１または２に記載の電動機冷却装置において、
前記入口部および前記出口部は、それぞれ前記第２の部材を径方向に貫通する複数の貫通孔により構成されることを特徴とする電動機冷却装置。