JP2015136784A

JP2015136784A - 回転軸装置の冷却システム

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Publication number: JP2015136784A
Application number: JP2014011662A
Authority: JP
Inventors: 隆彦谷藤; Takahiko Tanifuji; 小谷　毅; Takeshi Kotani; 毅小谷
Original assignee: Okuma Corp; Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2014-01-24
Filing date: 2014-01-24
Publication date: 2015-07-30
Anticipated expiration: 2034-01-24
Also published as: JP6251058B2

Abstract

【課題】より効率的に冷却できる冷却システムを提供することを目的とする。
【解決手段】ビルトイン形の電動機を用いた回転軸装置１０の冷却システムは、電気的要因の発熱を前記回転軸装置から除去するための第一の冷却流路と、機械的要因の発熱を前記回転軸装置から除去するための第二の冷却流路と、前記第一、第二の冷却流路に冷却液を供給する冷却装置２０と、前記２つの流路へ流す冷却液の流量の分配比率を調節する弁５１と、少なくとも前記電動機の回転速度に基づいて、前記二つの流路に流す冷却液の流量の分配比率を決定する制御装置６１と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械の主軸装置などの回転軸装置の冷却システムに関する。

工作機械の主軸などに代表される、ビルトイン形電動機を用いた回転軸装置では、小型化、高精度化、高速化、低振動化、低騒音化などが求められる。

ビルトイン形電動機を使用する回転軸装置では、電動機を運転する際に生じる銅損や鉄損といった電気的な要因による発熱を除去するため、ステータ外筒に冷却液を流す技術が従来から知られている（例えば特許文献１，２）。

また、高精度化、高速化、低振動化、低騒音化に対応するためには、スピンドルの熱変位の低減や、軸受けの予圧管理が必要不可欠である。スピンドルを回転させる際は、軸受け部や空気との摩擦による損失といった機械的な要因による発熱が生じる。この発熱を除去するため、軸受け外筒、スピンドル内部などに、冷却液を流す方法も知られている（例えば特許文献３）。

一例として、図５のような構成を紹介する。回転軸装置１０に、冷却装置２０を併設し、図２のように、ステータ外筒３０、軸受け外筒４０などへ、冷却液が流れる流路を形成する。この流路の途中には弁５０が設けられ、冷却液の流量をあらかじめ決められた比率に分配する。回転軸装置１０は、制御装置６１によって制御されて駆動する。制御装置６１は、回転軸装置１０が搭載される工作機械や、自動車、家電製品などにおいて、ユーザからの指令やプログラムを処理したり、各アンプやアクチュエータとの信号を処理したりするものである。このような構成で、ステータ外筒３０や軸受け外筒４０などに冷却液を流し、電気的な要因の発熱と、機械的な要因の発熱の両方を除去する。

通常、冷却液の供給元である冷却装置２０、例えば、ファンクーラやオイルコンなどは、回転軸装置１０一台に対し、一台ずつ使用される。その際、冷却液を、ステータ外筒３０や軸受け外筒４０などへ順番に流していく方法と、各発熱源に対し、冷却液の流路を分配しておく方法がある。

特開２０１０−２２１３６０号公報特開２００７−３３００７５号公報特開２０００−２８８８７０号公報

冷却液を各発熱源へ順番に流す場合、例えば、冷却液が軸受け外筒４０を通った後で、ステータ外筒３０へ流れる場合、軸受けの熱を吸収して温度が上がった冷却液が、ステータ外筒３０へ流れるため、電動機を効果的に冷却する事が出来ず、電動機本来の仕様が発揮できなくなる事がある。具体的には、連続定格出力で運転をしていても、電動機の温度が耐熱温度を上回ってしまい、コイルなどが焼損するか、その前に安全装置が働いて、運転を停止してしまう。

逆に、冷却液がステータ外筒３０を通った後で、軸受け外筒４０へ流れる場合、電動機の熱を吸収して温度が上がった冷却液が、軸受け外筒４０へ流れるため、機械的な発熱を除去しきれない場合がある。その場合、軸受けが焼きついたり、予圧の変化やスピンドルの熱変位の増加などにより、振動、騒音が発生したり、工作機械の主軸においては、加工精度の低下に繋がる。冷却装置２０の容量や冷却液の流路を設計する際、これらの事を念頭に置く必要がある。

図５、図６に示すように、冷却液を各発熱源へ分配して流す場合、ステータ外筒３０と軸受け外筒４０に流す冷却液を、ある一定の比率で分配する。しかし、電気的な要因の発熱と、機械的な要因の発熱は、回転速度に応じて変化する。電気的な要因の発熱の大半を占める銅損は、電動機の基底回転速度で最も大きくなり、それより高速になると小さくなる性質がある。対して、軸受けの発熱は、回転速度が高速になる程大きくなる。そのため、冷却液の分配比率が一定だと、回転速度によって、一方の流路では冷却に適した流量の冷却液が供給され、もう一方の流路では冷却に必要な量より多くの流量の冷却液が供給される状態が生まれる。

この関係を図６〜８で説明する。例えば、電気的な要因の発熱が最も大きくなる基底回転速度では、ステータ外筒３０に流量４０Ｌ／ｍｉｎの冷却液を流す必要があるとする。対して、機械的な要因の発熱が最も大きくなるのは、回転軸装置１０の最高回転速度で、この時、軸受け外筒４０には流量４０Ｌ／ｍｉｎの冷却液を流す必要があるとする。この様な場合、図６のように、冷却装置２０から供給される冷却液の流量は８０Ｌ／ｍｉｎ、冷却液の分配比率は１：１、すなわち、ステータ外筒３０に流量４０Ｌ／ｍｉｎ、軸受け外筒４０に流量４０Ｌ／ｍｉｎの冷却液を流し続ければ、いかなる回転速度でも、この回転軸装置１０の冷却を満足に行う事が出来る。

しかし前述したように、電気的な要因の発熱は基底回転速度より高速になれば小さくなっていき、ステータ外筒３０に流す冷却液の流量は、４０Ｌ／ｍｉｎより少なくてもよくなる。対して、機械的な要因の発熱は最高回転速度より低速になれば小さくなっていき、軸受け外筒４０に流す冷却液の流量は、４０Ｌ／ｍｉｎより少なくてもよくなる。

この装置構成において、図７のように、基底回転速度で運転する時、軸受け外筒４０に流す必要がある冷却液の流量が、１０Ｌ／ｍｉｎあったとする。この時、ステータ外筒３０にも軸受け外筒４０にも、冷却液は常に４０Ｌ／ｍｉｎ供給されるため、冷却に必要な流量より３０Ｌ／ｍｉｎ余分に冷却液が流れている事になる。

また、図８のように、最高回転速度で運転する時、ステータ外筒３０に流す必要がある冷却液の流量が、１０Ｌ／ｍｉｎであったとする。この時、ステータ外筒３０にも軸受け外筒４０にも、冷却液は常に４０Ｌ／ｍｉｎ供給されるため、冷却に必要な流量より３０Ｌ／ｍｉｎ余分に冷却液が流れている事になる。

つまり、図６のように、流量８０Ｌ／ｍｉｎを流せる冷却装置２０を選定し、冷却液の分配比率を１：１で分配していれば、いかなる回転速度でも、この回転軸装置１０の冷却は満足に行う事ができるが、図７、８のように、回転速度によっては、冷却に必要な流量より、余分に冷却液が流れている状態が生まれる。

上述したように、冷却液の分配比率が常に一定になっていると、冷却装置２０の能力、具体的には、冷却液を吐出するポンプの能力などに無駄が生じる場面がある。つまり、冷却装置が必要以上に大容量化し、それに応じ、消費電力も増加する事になる。そこで、本発明では、より効率的に冷却できる冷却システムを提供することを目的とする。

本発明の冷却システムは、ビルトイン形の電動機を用いた回転軸装置の冷却システムであって、電気的要因の発熱を前記回転軸装置から除去するための第一の冷却流路と、機械的要因の発熱を前記回転軸装置から除去するための第二の冷却流路と、前記第一、第二の冷却流路に冷却液を供給する冷却装置と、前記２つの流路へ流す冷却液の流量の分配比率を調節する調節手段と、少なくとも前記電動機の回転速度に基づいて、前記２つの流路に流す冷却液の流量の分配比率を決定する制御装置と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、工作機械の主軸などに代表される、ビルトイン形電動機を用いた回転軸装置において、回転速度に応じて変化する電気的な要因の発熱と、機械的な要因の発熱を、効率的に除去できる。また、冷却装置の能力を無駄なく使用する事が可能となり、冷却装置の小容量化、さらには、消費電力の削減を可能とする。

本発明の実施形態における冷却液を分配して供給するシステム構成図である。ビルトイン形電動機を用いた回転軸装置の構成を示す図である。本発明の実施形態における機能ブロック図である。各回転速度において必要な冷却液流量の関係の一例を示す図である。図４ａの関係時のパラメータ設定値一覧を示す図である。従来技術における冷却液を分配して供給するシステム構成図である。従来技術における冷却液の流量を説明する図である。従来技術における基底回転速度での冷却液の流量の関係を説明する図である。従来技術における最高回転速度での冷却液の流量の関係を説明する図である。

本実施形態を図１で説明する。回転軸装置１０に、冷却装置２０を併設し、ステータ外筒３０、軸受け外筒４０などへ、冷却液が流れる流路を形成する。回転軸装置１０は、図２のようなビルトイン形電動機を用いた構成である。この流路に、図１に示すように、電動弁５１を設ける。電動弁５１は、比例電磁弁など、外部からの電気信号によって開口面積を変化させ、冷却液の流量を調節できるものである。制御装置６０は、信号線７０を介して、回転軸装置１０の速度・位置情報を取得し、回転軸装置１０を制御、駆動する。電動弁５１は、信号線８０を介して制御装置６０によって制御され、冷却液の分配比率を調節する。制御装置６０には、あらかじめ、各回転速度において必要な冷却液流量の関係をパラメータとして記憶させておき、運転時の回転速度に応じて分配比率を変化する。

この装置構成において、基底回転速度で運転する場合は、電気的な要因の発熱が大きいので、制御装置６０が、電動弁５１を制御し、軸受け外筒４０に流れる冷却液の流量を絞り、その分、ステータ外筒３０へ流れる冷却液の流量を多くする。基底回転速度より高速で運転する場合には、電気的な要因の発熱は小さく、機械的な要因の発熱は大きくなっていくので、制御装置６０が電動弁５１を制御し、ステータ外筒３０へ流れる冷却液の流量を絞り、その分、軸受け外筒４０へ流れる冷却液の流量を多くする。

制御装置６０に記憶させる具体的なパラメータとしては、例えば、「電動機の基底回転速度」、「基底回転速度における電気的な要因の発熱を冷却するのに必要な流量」、「基底回転速度における機械的な要因の発熱を冷却するのに必要な流量」、「電動機の最高回転速度」、「最高回転速度時における電気的な要因の発熱を冷却するのに必要な流量」、「最高回転速度時における機械的な要因の発熱を冷却するのに必要な流量」などが挙げられる。

制御装置６０の動作を図３に示す。電動機制御ブロック９０は、速度、位置情報を信号線７０より受けてとり、回転軸装置１０に内蔵されている電動機に電力を供給し、運転する。分配比率制御ブロック１００は、パラメータと、回転軸装置１０の速度情報から分配比率を決定し、信号線８０を介して、電動弁５１へ分配比率調節指令を送る。

パラメータの決定方法と、分配比率制御ブロック１００がどのように分配比率を決定するか、具体的な数値を用いた一例で説明する。基底回転速度が１，０００ｍｉｎ^−１、最高回転速度が３，０００ｍｉｎ^−１のビルトイン形電動機を用いた回転軸装置１０において、各回転速度において必要な冷却液流量が、図４ａのような関係だったとする。パラメータ設定値は、図４ｂのように、「電動機の基底回転速度」＝１０００、「基底回転速度における電気的な要因の発熱を冷却するのに必要な流量」＝３０、「基底回転速度における機械的な要因の発熱を冷却するのに必要な流量」＝１０、「電動機の最高回転速度」＝３０００、「最高回転速度時における電気的な要因の発熱を冷却するのに必要な流量」＝１０、「最高回転速度時における機械的な要因の発熱を冷却するのに必要な流量」＝３０を設定する。すなわち、基底回転速度以下では、冷却に必要な分配比率３：１、最高回転速度では、冷却に必要な分配比率１：３の関係である。

基底回転速度の１，０００ｍｉｎ^−１以下では、分配比率制御ブロック１００は、分配比率３：１となるよう、電動弁５１に分配比率調節指令を送る。最高回転速度の３，０００ｍｉｎ^−１では、分配比率制御ブロック１００は、分配比率１：３となるよう、電動弁５１に分配比率調節指令を送る。

基底回転速度と最高回転速度の間の回転速度における分配比率は、必要な冷却液の流量が、回転速度に比例関係にあるとして算出する。つまり、この例においては、回転速度２，０００ｍｉｎ^−１だった場合、分配比率は１：１となる。

これにより、回転速度に応じて増減する、電気的な要因の発熱と、機械的な要因の発熱を、効果的に除去する事が可能になる。なお、本実施例では説明を簡略化するため、図４ａのように、回転速度と、必要な冷却液の流量が比例関係としたが、本発明が、比例関係の時のみに限定して使用すると制限するものではない。

また、本実施例を、回転速度の検出値に応じて冷却液の分配比率を変える、という方法で説明したが、速度検出値に代えて、速度指令値に基づいて分配比率を変えてもよい。また、回転速度に加え、例えば、電流値やトルク指令値などから電気的発熱を推測して、発熱量を推測する精度を上げ、最終的な冷却液の分配比率の変更量を決定する手段としてもよい。また、上述の説明では、制御装置６０に回転速度や流量の具体的数値を記憶させているが、こうした数値にかえて、回転速度や電流値、トルク指令値を変数とする関数を記憶するようにしてもよい。また、回転数や電流値、トルク指令値毎の分配比率をマップとして記憶するようにしてもよい。

１０回転軸装置、２０冷却装置、３０ステータ外筒、４０軸受け外筒、５０弁、５１電動弁、６０本発明における制御装置、６１従来技術における制御装置、７０信号線（速度・位置情報通信用）、８０信号線（分配比率調節指令用）、９０電動機制御ブロック、１００分配比率制御ブロック。

Claims

ビルトイン形の電動機を用いた回転軸装置の冷却システムであって、
電気的要因の発熱を前記回転軸装置から除去するための第一の冷却流路と、
機械的要因の発熱を前記回転軸装置から除去するための第二の冷却流路と、
前記第一、第二の冷却流路に冷却液を供給する冷却装置と、
前記２つの流路へ流す冷却液の流量の分配比率を調節する調節手段と、
少なくとも前記電動機の回転速度に基づいて、前記２つの流路に流す冷却液の流量の分配比率を決定する制御装置と、
を備えることを特徴とする冷却システム。
請求項１に記載の冷却システムであって、
前記第一の冷却流路は電動機のステータ外筒を冷却し、前記第二の冷却流路は軸受け部分を冷却することを特徴とする冷却システム。
請求項１または２に記載の冷却システムであって、
前記制御装置は、前記電動機を基底回転速度で運転した際に、前記第一の冷却流路への分配比率が最も高く、また、前記電動機を最高回転速度で運転した際に、前記第二の冷却流路への分配比率が最も高くなるように、回転速度に基づいて分配比率を決定する、ことを特徴とする冷却システム。