JP2009081972A - 大型産業機械の電動モータ冷却構造と冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大型の電動モータを機械の上部に設置する必要がある大型産業機械であっても、機械自体の構造強度を低下させずに配管設備を準備できる大型産業機械の電動モータ冷却構造と冷却方法を提供する。
【解決手段】電動モータで駆動される駆動機構１２と、駆動機構に潤滑油を循環させて供給する潤滑油循環装置２０とを備えた大型産業機械の電動モータ冷却構造。電動モータは液冷式電動モータ３０であり、潤滑油循環装置２０は、加圧された潤滑油を駆動機構１２に供給する送り側油配管２３と、駆動機構から排出された潤滑油を回収する戻り側油流路２４とを有する。さらに、送り側油配管２３と液冷式電動モータ３０とを連通し潤滑油を送り側油配管から液冷式電動モータに供給する冷却油供給配管３２を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、プレス機械のような大型産業機械の電動モータ冷却構造と冷却方法に関する。

プレス機械等の産業機械用駆動源として電動モータが広く用いられており、その冷却手段として、ファンを用いた強制空冷が一般的に採用されている。
しかし、生産性向上のため駆動速度や駆動トルクが増大し、かつ制御性向上のため可変速制御等を採用するため、駆動に要する出力が大きい大型産業機械の場合、電動モータが大出力化し、そのため電動モータからの発熱が増大し、ファンを用いた強制空冷では電動モータが大型化し、設置が困難となる場合がある。
そこで、水などの液体冷媒を用いて冷却する液冷式の電動モータが大型産業機械用の電動モータとして注目されている。かかる液冷式電動モータは、例えば特許文献１〜３に開示されている。

特許文献１は、掘削機の安定性を害することなく掘削能力の向上を図り得る掘削機用電動モータ冷却装置を提供することを目的とし、図４（Ａ）（Ｂ）に示すように、オイルクーラを有する油圧供給源５２を備えた掘削機本体５１に立設されたリーダ５３に沿って駆動機構５０を昇降させると共に、駆動機構５０により掘削具５４を回転駆動して杭孔を掘削する掘削機において、油圧供給源５２は、掘削機本体５１に搭載された内燃機関５８により駆動される油圧ポンプ５９を備えると共に、油圧供給源５２は、掘削機本体５１に搭載された油圧モータを用いた駆動源に作動油を供給し、かつ、駆動機構５０は液冷式電動モータ５６を備えると共に、油圧供給源５２から液冷式電動モータ５６に作動油を供給して冷却するものである。

特許文献２は、固定子表面の温度上昇を効率的に冷却することを目的とし、図５に示すように、固定子コイル６９を収納する複数のスロットを内周部に設けた固定子鉄心６８と、固定子鉄心６８の内周面に空隙を介して対向するように設けた回転子６１と、固定子鉄心の外側に設けたフレーム６２と、固定子鉄心とフレームの間に冷媒を通すフレーム冷却ジャケット６３を備え、フレーム冷却ジャケット６３は、一方端に、外部の冷媒供給装置からの冷媒を受け取る冷媒供給口６４を設け、他方端に、冷媒を冷媒供給装置に排出する冷媒排出口６５を設けてあり、固定子鉄心６８の両端のうち少なくとも一方の端部、または固定子鉄心を軸方向に複数個に分割した分割部に、リング状またはＣ字状の固定子冷却ジャケット６０を設けたモータの冷却装置において、
固定子冷却ジャケット６０を、固定子鉄心６８の歯先の位置まで延ばしてあり、フレーム冷却ジャケット６３の途中に固定子冷却ジャケット６０の冷媒供給孔、冷媒排出孔を円周方向に向かって略１８０°の位置に対向するように配置させると共にフレーム冷却ジャケット６３と固定子冷却ジャケット６０を連通させてあり、固定子コイルのコイルエンドと固定子冷却ジャケットとフレームとで囲まれた空間に熱伝導性樹脂６６を充填したものである。

特許文献３は、電動機用冷却装置を目的とし、図６に示すように、この電動機用冷却装置は、冷却ジャケット７８と個別の構成部材７２の表面との間に形成された冷却ダクト７４を備える。個別の構成部材７２の表面は、冷却ダクト７４の壁部の少なくとも一部を画定し得る。冷却ダクト７４は、冷却液体を個別の構成部材７２の表面の少なくとも一部に沿って方向付け、電動機から熱を引き出すように構成される。入口ポート７０は、冷却ダクト７４と流体を連通し得る。この入口ポート７０は、冷却液体を受け取って冷却液体を冷却ダクト７４に導入するように構成されたものである。

特許第３３１９７００号、「掘削機用電動モータ冷却装置」 特許第３５３８９４７号、「モータの冷却装置」 特開２００５−２０４４９６号、「電動機用冷却装置」

上述した従来の液冷式電動モータを用いる場合、水などの液体冷媒を電動モータまで循環させるための配管設備が必要となる。
しかし、例えばプレス機械のような大型産業機械では、電動モータを機械の上部に設置する必要がある場合が多く、機械自体の強度及び精度を保つため、厚板を使用したり補強材が多い機械構造を有しており、機械構造の強度を低下させずに板を貫通して配管を設けたり、補強材を避けて配管を設置することが難しく、製造や保守が困難になる問題点があった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、大型の電動モータを機械の上部に設置する必要がある大型産業機械であっても、機械自体の構造強度を低下させずに配管設備を容易に準備できる大型産業機械の電動モータ冷却構造と冷却方法を提供することにある。

本発明によれば、電動モータで駆動される駆動機構と、該駆動機構に潤滑油を循環させて供給する潤滑油循環装置とを備えた大型産業機械の電動モータ冷却構造であって、
前記電動モータは液冷式電動モータであり、
前記潤滑油循環装置は、加圧された潤滑油を前記駆動機構に供給する送り側油配管と、駆動機構から排出された潤滑油を回収する戻り側油流路とを有し、
前記送り側油配管と液冷式電動モータとを連通し潤滑油を送り側油配管から液冷式電動モータに供給する冷却油供給配管を備える、ことを特徴とする大型産業機械の電動モータ冷却構造が提供される。

また、本発明の好ましい実施形態によれば、前記送り側油配管は、前記駆動機構に供給する潤滑油の一部を分岐する分岐管を有し、
前記冷却油供給配管は、該分岐管と液冷式電動モータとを連通しており、
さらに、前記戻り側油流路と液冷式電動モータとを連通し潤滑油を液冷式電動モータから戻り側油流路に回収する冷却油回収配管を備える。

また、本発明の好ましい実施形態によれば、前記送り側油配管は、前記駆動機構に供給する潤滑油の全部を分岐する分岐管を有し、
前記冷却油供給配管は、該分岐管と液冷式電動モータとを連通しており、
さらに、前記駆動機構と液冷式電動モータとを連通し潤滑油を液冷式電動モータから駆動機構に回収する冷却油回収配管を備える。

前記液冷式電動モータは、潤滑油で内部を直接又は間接的に冷却する油冷式電動モータであり、
前記冷却油供給配管に設けられ潤滑油の流量を調節する流量調節弁と、
前記冷却油回収配管又は前記油冷式電動モータに設けられ潤滑油又は油冷式電動モータ内の温度を検出する温度検出器と、
前記流量調節弁を制御し、前記検出温度を所定の温度範囲内に調節する温度制御器と、を備える。

前記液冷式電動モータは、冷却水を潤滑油で間接的に冷却する熱交換器を有し冷却水で内部を間接的に冷却する水冷式電動モータであり、
前記冷却油供給配管は、前記熱交換器と連通して送り側油配管から潤滑油を供給し、
前記冷却油回収配管は、前記熱交換器と連通して潤滑油を回収する。

また本発明によれば、電動モータで駆動される駆動機構と、該駆動機構に潤滑油を循環させて供給する潤滑油循環装置とを備えた大型産業機械の電動モータの冷却方法であって、
液冷式電動モータを前記電動モータとして使用し、
前記潤滑油循環装置は、加圧された潤滑油を前記駆動機構に供給する送り側油配管と、駆動機構から排出された潤滑油を回収する戻り側油流路とを有し、
前記送り側油配管から潤滑油の一部又は全部を分岐して液冷式電動モータに供給し、液冷式電動モータを冷却する、ことを特徴とする大型産業機械の電動モータ冷却方法が提供される。

上記本発明の構造と方法によれば、電動モータで駆動される駆動機構と、該駆動機構に潤滑油を循環させて供給する潤滑油循環装置とを備えた大型産業機械を対象とするので、液冷式電動モータを前記電動モータとして使用し、潤滑油循環装置の送り側油配管から液冷式電動モータに潤滑油を循環させて供給することにより、駆動機構の潤滑のための送り側油配管を利用して、潤滑油の一部を電動モータ冷却用の冷媒として使用することができる。

従って、新たな配管設備を追加せずに液冷式電動モータを採用でき、機械構造が複雑化したり製作困難になったり保守が困難になることを避けることができる。特にプレス機械のアプライトのように、断面積が小さく機械自体の構造強度を低下させずに配管設備を追加する余裕の乏しい構造を有する機械の場合に有効である。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。

図１は、本発明の第１実施形態の冷却構造を備えた大型産業機械の全体構成図である。この図において、大型産業機械はプレス機械であるが、本発明はこれに限定されず、その他の大型産業機械であってもよい。

図１において、１０は大型産業機械であるプレス機械、１２は駆動機構、１３はスライド、１４はクラウン、１５はベッド、１６はアプライト、３０は液冷式電動モータである。

プレス機械１０において、液冷式電動モータ３０は駆動機構１２を介してスライド１３を上下に駆動する。液冷式電動モータ３０は、潤滑油で直接又は間接的に冷却される電動モータである。
駆動機構１２は液冷式電動モータ３０の回転運動をスライド１３の上下運動に変換するもので、クランク、クランクレス、リンク、ナックル、などの方式がある。
液冷式電動モータ３０はプレス機械の上部構造物であるクラウン１４に設置され、クラウン１４とプレス機械の下部構造物であるベッド１５との間は、柱状の構造物であるアプライト１６により保持されている。
アプライト１６の本数は、プレス機械１０の大きさやプレス成形能力に応じてさまざまであるが、４本のことが多い。クラウン１４、ベッド１５、アプライト１６は、プレス成形時に発生する大荷重を支えるため、厚板や補強材で構成されている。

本発明において、大型産業機械（すなわちプレス機械１０）は、液冷式電動モータ３０で駆動される上述した駆動機構１２と、駆動機構１２に潤滑油を循環させて供給する潤滑油循環装置２０とを備える。
潤滑油循環装置２０は、潤滑油タンク２１、潤滑油ポンプ２２、送り側油配管２３、及び戻り側油流路２４を備える。
潤滑油タンク２１は、駆動機構１２に供給する潤滑油を内部に保有する容器である。潤滑油ポンプ２２は、潤滑油タンク２１から潤滑油を導入し所定の圧力（例えば０．２〜１．０ＭＰａ）まで加圧する。送り側油配管２３は、加圧された潤滑油を駆動機構１２に供給する。戻り側油流路２４は、駆動機構１２から排出された潤滑油を自重により潤滑油タンク２１に回収するようになっている。

プレス機械１０の駆動機構１２を含む各所（例えば、軸受け、歯車の歯先、平面状摺動部等）を潤滑するため、油タンク２１内の潤滑油を潤滑油ポンプ２２で加圧して送り出し、送り側油配管２３を通して潤滑油を駆動機構１２を含むプレス機械１の各所に供給する。なお、図１には駆動機構１２へ潤滑油を送る送り側油配管２３のみを示しているが、その他に送り側油配管２３があってもよい。
潤滑油ポンプ２２は、この例では電動モータで駆動される。この電動モータは、ファンを用いた強制空冷式の電動モータであるのが好ましいが、潤滑油で冷却する液冷式電動モータであってもよい。
戻り側油流路２４の一部は、クラウン１４、ベッド１５、及びアプライト１６の内側に形成された空洞であってもよく、或いは送り側油配管２３と同様の配管であってもよい。

図１において、潤滑油循環装置２０はさらに、潤滑油クーラ２６を備える。潤滑油クーラ２６は、空冷又は水冷の熱交換器であり、循環ポンプ２６ａで油タンク２１から潤滑油を抜き出して潤滑油クーラ２６に供給し、ここでファンによる強制空冷、または冷却水による水冷により潤滑油を冷却し、冷却された潤滑油を油タンク２１に戻すことにより、油タンク２１内の潤滑油の温度を適正な温度範囲に保持するようになっている。
なお、潤滑油クーラ２６は必須ではなく、潤滑油タンク２１、送り側油配管２３、及び戻り側油流路２４における放熱で油タンク２１内の潤滑油の温度を適正な温度範囲に保ってもよい。

図１において、本発明の冷却構造はさらに、冷却油供給配管３２と冷却油回収配管３４を有する。
この例では、送り側油配管２３は、駆動機構１２に供給する潤滑油の一部を分岐する分岐管２３ａを有する。また、冷却油供給配管３２は、分岐管２３ａと液冷式電動モータ３０とを連通しており、潤滑油を送り側油配管２３から液冷式電動モータ３０に供給する。なお必要に応じて、冷却油供給配管３２に絞り、オリフィス等を設けて流量を調節するのがよい。
冷却油回収配管３４は、戻り側油流路２４と液冷式電動モータ３０とを連通し、潤滑油を液冷式電動モータ３０から戻り側油流路２４に回収する。
駆動機構１２を含む各所に供給されたその他の潤滑油は、戻り側油流路２４を通って油タンク２１へ回収される。
この構成により、油タンク２１内で適正な温度範囲に保たれた潤滑油を液冷式電動モータ３０に供給することができ、液冷式電動モータ３０を効果的に冷却することができる。

図２は、本発明の第２実施形態の冷却構造を備えた大型産業機械の全体構成図である。
本発明は上記第１実施形態に限定されず、図２に示すように、送り側油配管２３が、駆動機構１２に供給する潤滑油の全部を分岐する分岐管を有し、冷却油供給配管３２が、この分岐管と液冷式電動モータ３０とを連通して駆動機構１２に供給する潤滑油の全部を液冷式電動モータ３０に供給するようにしてもよい。
この場合、さらに、駆動機構１２と液冷式電動モータ３０とを連通し潤滑油を液冷式電動モータ３０から駆動機構１２に回収する冷却油回収配管を備え、液冷式電動モータ３０を冷却した後の潤滑油で駆動機構を潤滑する。
この構成により、液冷式電動モータ３０に供給する潤滑油の流量が少ない場合でも、液冷式電動モータ３０を効果的に冷却することができる。
なおその他の構成は第１実施形態と同様である。

上述した構成において、液冷式電動モータ３０は電力を供給されて回転するため発熱する。送り側油配管２３を通って液冷式電動モータ３０へ供給された潤滑油は、液冷式電動モータ３０を冷却し、戻り側油流路２４を通って潤滑油タンク２１へ戻る。
液冷式電動モータ３０を冷却するために潤滑油は加熱されるが、戻り側油流路２４を流れ、潤滑油タンク２１に滞留している間に、潤滑油は自然放熱により冷却される。自然放熱により冷却された潤滑油は、ふたたび潤滑油ポンプ２２によって送り側油配管２３を経由して液冷式電動モータ３０へ送り出され液冷式電動モータ３０を冷却する。以上を繰り返すことにより、液冷式電動モータ３０の冷却が継続的に行われる。

図３は、液冷式電動モータ３０の実施形態を示す図であり、（Ａ）は第１実施形態図、（Ｂ）は第２実施形態図、（Ｃ）は第３実施形態図である。

図３（Ａ）において、液冷式電動モータ３０は、潤滑油で内部を直接又は間接的に冷却する油冷式電動モータである。ここで、「直接冷却」とは、潤滑油で電動モータの構成部品（固定子、回転子、コイル等）を直接冷却する方式であり、「間接冷却」とはこれらをジャッケット等を介して間接冷却する方式である。絶縁性の潤滑油を用いることにより、直接冷却が可能である。

図３（Ａ）の例では、流量調節弁３５ａ、温度検出器３５ｂ、および温度制御器３５ｃを備える。
流量調節弁３５ａは、冷却油供給配管３２に設けられ潤滑油の流量を調節する。温度検出器３５ｂは、冷却油回収配管３４に設けられ潤滑油の温度を検出する。温度制御器３５ｃは、流量調節弁３５ａを制御し、温度検出器３５ｂによる検出温度を所定の温度範囲内に調節する。
この構成により、液冷式電動モータ３０を適正な温度範囲に制御することができる。

図３（Ｂ）において、液冷式電動モータ３０は、潤滑油で内部を直接又は間接的に冷却する油冷式電動モータである。また、この例では、流量調節弁３６ａ、温度検出器３６ｂ、および温度制御器３６ｃを備える。
流量調節弁３６ａは、冷却油供給配管３２に設けられ潤滑油の流量を調節する。温度検出器３６ｂは、油冷式電動モータ３０に設けられ油冷式電動モータ内の温度（例えばハウジング又は固定子の温度）を検出する。温度制御器３６ｃは、流量調節弁３６ａを制御し、温度検出器３６ｂによる検出温度を所定の温度範囲内に調節する。
この構成により、液冷式電動モータ３０のハウジング又は固定子の温度を適正な温度範囲に制御することができる。

温度制御器としては電子回路やプログラマブル制御器を使用することが可能であり、流量調節弁としてソレノイドやモータで弁を開閉するもの、温度検出器としては抵抗測温体やサーミスタを使用できる。また、温度検出器として密閉した液体の蒸気圧が温度によって変化することを利用し、蒸発した液体を配管によってベローズへ導き、ベローズの変形によって流量調節弁を開閉する機械的な方法もある。
また、液冷式電動モータ３０の発熱が著しいのは、モータが回転しトルクを発生するときであるから、温度検出器３５ｂ，３６ｂを省略し、モータの回転を検出して、もしくはモータの制御装置が回転を指令していることを検出して流量調節弁３５ａ，３６ａを開くように温度制御器３５ｃ，３６ｃを構成してもよい。

図３（Ｃ）において、液冷式電動モータ３０は、冷却水を潤滑油で間接的に冷却する熱交換器３７を有し、冷却水で内部を間接的に冷却する水冷式電動モータである。また、この例では冷却油供給配管３２は、熱交換器３７と連通して送り側油配管から潤滑油を供給し、冷却油回収配管３４は、熱交換器３７と連通して潤滑油を回収する。
熱交換器３７は、液−液の熱交換器であり、冷却水循環配管３８を通して循環ポンプ３８ａで冷却水を熱交換器３７内に循環して供給し、ここで潤滑油により冷却水を冷却し、冷却された冷却水を液冷式電動モータ３０に戻すことにより、液冷式電動モータ３０の温度を適正な温度範囲に保持するようになっている。

上述した装置を用い、本発明の大型産業機械の電動モータ冷却方法では、液冷式電動モータ３０を、駆動機構１２を駆動する電動モータとして使用する。
また、潤滑油循環装置２０の送り側油配管２３から潤滑油の一部又は全部を分岐して液冷式電動モータ３０に供給し、液冷式電動モータを冷却する。

上述した本発明の構造と方法によれば、電動モータ３０で駆動される駆動機構１２と、駆動機構１２に潤滑油を循環させて供給する潤滑油循環装置２０とを備えた大型産業機械１０を対象とするので、液冷式電動モータ３０を電動モータとして使用し、潤滑油循環装置２０の送り側油配管２３から液冷式電動モータ３０に潤滑油を循環させて供給することにより、駆動機構１２の潤滑のための送り側油配管２３を利用して、潤滑油の一部を電動モータ冷却用の冷媒として使用することができる。

従って、新たな配管設備を追加せずに液冷式電動モータ３０を採用でき、機械構造が複雑化したり製作困難になったり保守が困難になることを避けることができる。特にプレス機械のアプライト１６のように、断面積が小さく機械自体の構造強度を低下させずに配管設備を追加する余裕の乏しい構造を有する機械の場合に有効である。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。例えば、本発明はプレス機械に限定されず、その他の大型産業機械にも同様に適用することができる。

本発明の第１実施形態の冷却構造を備えた大型産業機械の全体構成図である。 本発明の第２実施形態の冷却構造を備えた大型産業機械の全体構成図である。 液冷式電動モータ３０の実施形態を示す図である。 特許文献１の模式図である。 特許文献２の模式図である。 特許文献３の−模式図である。

符号の説明

１０ 大型産業機械（プレス機械）、１２ 駆動機構、１３ スライド、
１４ クラウン、１５ ベッド、１６ アプライト、
２０ 潤滑油循環装置、２１ 潤滑油タンク、２２ 潤滑油ポンプ、
２３ 送り側油配管、２３ａ 分岐管、２４ 戻り側油流路、
２６ 潤滑油クーラ、２６ａ 循環ポンプ、
３０ 液冷式電動モータ、３２ 冷却油供給配管、３４ 冷却油回収配管、
３５ａ 流量調節弁、３５ｂ 温度検出器、３５ｃ 温度制御器、
３６ａ 流量調節弁、３６ｂ 温度検出器、３６ｃ 温度制御器、
３７ 熱交換器、３８ 冷却水循環配管、３８ａ 循環ポンプ

Claims (6)

1. 電動モータで駆動される駆動機構と、該駆動機構に潤滑油を循環させて供給する潤滑油循環装置とを備えた大型産業機械の電動モータ冷却構造であって、
   前記電動モータは液冷式電動モータであり、
   前記潤滑油循環装置は、加圧された潤滑油を前記駆動機構に供給する送り側油配管と、駆動機構から排出された潤滑油を回収する戻り側油流路とを有し、
   前記送り側油配管と液冷式電動モータとを連通し潤滑油を送り側油配管から液冷式電動モータに供給する冷却油供給配管を備える、ことを特徴とする大型産業機械の電動モータ冷却構造。
2. 前記送り側油配管は、前記駆動機構に供給する潤滑油の一部を分岐する分岐管を有し、
   前記冷却油供給配管は、該分岐管と液冷式電動モータとを連通しており、
   さらに、前記戻り側油流路と液冷式電動モータとを連通し潤滑油を液冷式電動モータから戻り側油流路に回収する冷却油回収配管を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の大型産業機械の電動モータ冷却構造。
3. 前記送り側油配管は、前記駆動機構に供給する潤滑油の全部を分岐する分岐管を有し、
   前記冷却油供給配管は、該分岐管と液冷式電動モータとを連通しており、
   さらに、前記駆動機構と液冷式電動モータとを連通し潤滑油を液冷式電動モータから駆動機構に回収する冷却油回収配管を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の大型産業機械の電動モータ冷却構造。
4. 前記液冷式電動モータは、潤滑油で内部を直接又は間接的に冷却する油冷式電動モータであり、
   前記冷却油供給配管に設けられ潤滑油の流量を調節する流量調節弁と、
   前記冷却油回収配管又は前記油冷式電動モータに設けられ潤滑油又は油冷式電動モータ内の温度を検出する温度検出器と、
   前記流量調節弁を制御し、前記検出温度を所定の温度範囲内に調節する温度制御器と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の大型産業機械の電動モータ冷却構造。
5. 前記液冷式電動モータは、冷却水を潤滑油で間接的に冷却する熱交換器を有し冷却水で内部を間接的に冷却する水冷式電動モータであり、
   前記冷却油供給配管は、前記熱交換器と連通して送り側油配管から潤滑油を供給し、
   前記冷却油回収配管は、前記熱交換器と連通して潤滑油を回収する、ことを特徴とする請求項１に記載の大型産業機械の電動モータ冷却構造。
6. 電動モータで駆動される駆動機構と、該駆動機構に潤滑油を循環させて供給する潤滑油循環装置とを備えた大型産業機械の電動モータの冷却方法であって、
   液冷式電動モータを前記電動モータとして使用し、
   前記潤滑油循環装置は、加圧された潤滑油を前記駆動機構に供給する送り側油配管と、駆動機構から排出された潤滑油を回収する戻り側油流路とを有し、
   前記送り側油配管から潤滑油の一部又は全部を分岐して液冷式電動モータに供給し、液冷式電動モータを冷却する、ことを特徴とする大型産業機械の電動モータ冷却方法。

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