JP2661805B2

JP2661805B2 - 液冷用管路を外被内部に有した液冷モータ

Info

Publication number: JP2661805B2
Application number: JP3066685A
Authority: JP
Inventors: 厚生中村; 幸男勝沢; 道桝谷; 康之中澤
Original assignee: FUANATSUKU KK
Current assignee: FUANATSUKU KK
Priority date: 1991-03-29
Filing date: 1991-03-29
Publication date: 1997-10-08
Anticipated expiration: 2012-10-08
Also published as: JPH04304145A; WO1992017932A1

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液冷モータに関し、特
に、冷却液の流動管路を、モータ外被を形成する熱良導
性のケーシング及び前後フランジの内部に備えた冷却効
率の高い、主としてマシニングセンタ等の工作機械にお
ける主軸駆動源用のモータとして有効に適用可能な液冷
モータに関する。

【０００２】

【従来の技術】工作機械、特にマシニングセンタのよう
な省力形工作機械における主軸の駆動は、連続運転され
ることから冷却効率の高い液冷形モータ、それも誘導形
の液冷モータが利用されていることは周知である。近年
の誘導モータ、殊に、工作機械の主軸駆動用に用いられ
る三相誘導電動機は、ステータ側に一次電流が供給され
る一次巻線を有し、アルミ材から成る籠形やキャップ形
のロータを二次電流の巻線回路に形成し、一次巻線をＹ
形結線とデルタ形結線との間で切り換え、又はステー
タ、ロータ間のすべり率（Ｓ＝ｎ−ｎ’／ｎ）を制御し
て１つの誘導形モータに就いて同一次電流下でも低速回
転で大きなトルクを発生可能に構成されている。

【０００３】然しながら、高トルク、低回転速度を求め
て一次巻線の上記切り換え（デルタ巻線方式からＹ巻線
方式への切り換え）をおこなうと、三相誘導モータの一
次巻線の端子間の抵抗値が切り換え前の約３倍の抵抗値
を示すようになり、故に、同一電流値の一次電流を流し
たとき、一次巻線内で発生する銅損熱も３倍になる。他
方、この種誘導モータでは大きな出力トルクを供するた
めに、アルミ製籠形ロータ又はアルミ製キャップ形ロー
タのすべりを大きくする構造が設けられ、故に、すべり
Ｓに比例しした大きな二次電流が流れ、従って、ロータ
を形成するアルミ材の電気抵抗値が同一値でも銅損は二
次電流の二乗に比例して増加する結果になる。故に、結
果的には、巻線切り換え方式でデルタ結線からＹ結線に
切り換えて低速、大トルクを発生した場合は、モータの
ステータ及びロータから発生する発熱量が増大すること
になる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】工作機械の主軸駆動用
のモータでは、工作機械の主軸が伝熱による熱変形を生
ずると加工精度に悪影響を与えるため、駆動モータ側の
発熱を極力抑制し、又、モータ側から機械主軸への伝熱
を抑止することが必須の条件となる。依って、この種の
主軸駆動用誘導形モータの冷却を空冷方式に替えて液冷
方式を採用し、冷却効率の向上を図ったものは既に提供
されている。即ち、本出願による国際特許出願ＰＣＴ／
ＪＰ８５／０００６３４号公報には交流モータのステー
タコア内に軸方向に貫通する冷却液の循環孔を設け、か
つステータコアの前後両端にエンドプレートを押し当て
てボルトねじで締結させ、かつ、ステータコア間に含侵
させた樹脂材で循環孔の孔壁を被覆する構造とし、ステ
ータコア内部に形成した冷却液通路における漏液を防止
した上で、このような冷却液通路に冷却液を流動させて
ステータコアから奪熱を図るようにしたものを開示して
いる。然しながら、この国際特許出願ＰＣＴ／ＪＰ８５
／０００６３４号公報に開示された液冷却方式では、ス
テータ及びロータにおける銅損に原因した発生熱を奪取
することは可能であるにしても、ステータの両端面の前
後に設けられたモータ出力軸を支持する回転軸受からの
発生熱を奪熱することは不可能である。また、積層コア
内に冷却液冷の通路を設けることは、漏液防止の面から
長期に渡り完全漏液冷を期待することは困難で、例え
ば、振動や熱サイクルで樹脂被覆が劣化して冷却液漏れ
防止上の信頼性に欠如する難点がある。

【０００５】他方、ステータコアの外周にラセン状にハ
イプを配置し、このパイプ中に冷却液を流動させて、ス
テータ及びロータからの発生熱を奪熱する方式の液冷モ
ータもあるが、この方式では、上述したステータコア内
部に冷却液通路を設けたものと同様にステータの両端面
の前後に設けられたモータ出力軸を支持する回転軸受か
らの発生熱を奪熱することは不可能である。高速回転時
における回転軸受から発生する熱は無視することはでき
ないので、この種の回転軸受からの発生熱を奪熱、冷却
することが不可能な場合は、既述の如く、工作機械の主
軸に伝熱による熱変形を来たし、加工精度に悪影響を与
える結果になるから事実上、主軸駆動用モータに適用す
ることは不可能である。

【０００６】依って、本発明の目的は、液冷方式による
高冷却率の有利を活かし、かつ、ステータやロータにお
ける発生熱ばかりでなく、回転軸受における特に、高速
回転時の発生熱を奪熱、冷却できる冷却機構を備え、工
作機械の主軸駆動に適用可能な誘導形モータを提供せん
とするものである。本発明の他の目的は、従来の液冷モ
ータに採用されたステータコア内部に冷却液冷通路を設
ける冷却方式ではステータの加工工程で漏液防止用の被
覆形成のために樹脂材の含侵等の煩瑣な工程が介在する
ことに鑑み、このような煩瑣の加工工程を有しないで液
冷による改良された冷却機構を具備した液冷モータを提
供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、多相誘導形モ
ータのステータコアの外周部位を囲繞する熱良導性のア
ルミ製ケーシングを設け、このアルミ製ケーシングの前
後に封止的に密着結合される軸受支持用のフランジを設
け、これらケーシング、前後フランジから成る外被内部
に冷却液を流動させてモータステータ及びロータの銅損
熱を奪い、かつ、軸受の回転熱を奪う構成を設け、高ト
ルク、低速回転時でも奪熱効率の高い液冷機構を有した
液冷モータを構成したのである。

【０００８】すなわち、本発明によれば、冷却液で発生
熱を冷却する液冷モータにおいて、出力軸を有したロー
タの周囲に配設されるステータの外周を囲繞するように
設けられた熱良導性の筒形ケーシングの周縁複数箇所に
分散配置され、軸方向に貫通する複数の冷却液主管路
と、前記筒形ケーシングの前後端面に封止、密着され、
前記出力軸の軸受を支持する前後両フランジに、前記筒
形ケーシングの冷却液主管路に連通した液通路として形
成され、該複数の冷却液主管路の接続用と共にモータ機
外からの冷却液の導入及び排出用として設けられた複数
の冷却液副管路とを、具備して構成され、筒形ケーシン
グと前後フランジとから成る外被内部を流動する冷却液
で奪熱、冷却する液冷モータを提供するものである。

【０００９】以下、本発明を添付図面に示す実施例に基
づいて更に詳細に説明する。

【００１０】

【実施例】図１は、本発明に依る液冷用管路を外被内部
に有した液冷モータの１実施例の構造を示す縦断面図、
図２は、図１のＡーＡ線によるステータ部分の断面図、
図３の（ａ）は、図１のＢーＢ線による後部フランジに
形成された冷却液の通路を示す断面図、図３の（ｂ）は
同じく図１のＣーＣ矢視線による後部フランジに形成さ
れた冷却液の通路と封止機構とを示した端面図、図４の
（ａ）は、図１のＤーＤ矢視線による前部フランジに形
成された冷却液の通路と封止機構とを示した端面図、図
４の（ｂ）は図１のＥーＥ矢視線による端面図、図５は
図１に示した本発明の実施例による液冷モータの冷却液
の流動経路を取り出し図示した冷却液回路の略示図、図
６は封止機構の構造を示す断面図、図７の（ａ）は、従
来の空冷モータに対して本発明による液冷モータの冷却
効率の向上の様子を示したグラフ図、図６の（ｂ）は
（ａ）のデータを得た測定位置を示すモータの略示図で
ある。

【００１１】先ず、図１を参照すると、本発明による液
冷モータは、出力軸１０を有したロータ部１２を備え、
出力軸１０は前後の回転軸受１４ａ、１４ｂにより支持
されてロータ部１２と一緒に同出力軸１０の軸心周りに
回転可能なモータ要素として設けられている。ロータ部
１２のロータコア１２ａの周囲には周知のように空隙を
介してステータ部１６がモータ静止要素として設けら
れ、このステータ部１６は磁性材ラミネートを積層して
成るステータコア１８ａと、そのステータコア１８ａに
形成した巻線溝に装填された励磁用の一次巻線１８ｂと
から形成されている。

【００１２】この液冷モータは更に、上記のステータ部
１６の外周を囲繞するように筒形のケーシング２０と、
この筒形ケーシング２０の前後両端に封止的に密着結合
される前部フランジ２２と後部フランジ２４とを備えて
いる。ここで、前部フランジ２２はキャップ形要素とし
て形成され、中心部に前部回転軸受１４ａを支持する軸
受孔を有し、後部フランジ２４も同様にキャップ形要素
として形成され、中心部に後部回転軸受１８ｂを支持す
る軸受孔を有している。これらのケーシング２０や前後
のフランジ２２、２４は、モータの外被要素を形成し、
後述する液冷機構の冷却液を流動させる冷却液管路を内
部に具備してステータ部１６、ロータ部１２から奪熱を
行う作用を行うので、良好な熱伝導性を有した金属材
料、即ち、好適材料としてはアルミ材料又はアルミ合金
材料で形成され、その場合、機械加工法によってケーシ
ング２０やフランジ２２、２４を製造することも可能で
あるが、より効果的な方法としてはダイキャスト等によ
る成形加工により製造することができる。なお、モータ
の後部にはステータ部１６の一次巻線１８ｂに励磁電流
を供給するための端子箱２６が装着されている。

【００１３】さて、図１に示した実施例の液冷モータで
は、液冷機構としてモータ機外から導入する冷却液を後
部フランジ２４の内部に形成した冷却液副管路４０から
導入し、筒形ケーシング２０に形成した冷却液主管路６
０を経由して前部フランジ２２に形成された冷却液副管
路８０に導き、同前部フランジ２２内の冷却液副管路８
０内を通過してから再び筒形ケーシング２０の冷却液主
管路６０を経て後部フランジ２４の冷却液副管路４０に
帰還させる循環サイクルを経過し、このような循環サイ
クルを複数回遂行してから後部フランジ２４の冷却液副
管路４０よりモータ機外へ排出し、冷却液供給源へ還流
させる構成を有している。そして、冷却液がこれらの筒
形ケーシング２０や前後部フランジ２２、２４を流動す
る間に、ロータ部１２及びステータ部１６で発生する銅
損熱を奪熱して冷却し、かつ又前後のフランジ２２、２
４では回転軸受１４ａ、１４ｂの高速回転時に発生する
熱を奪熱、冷却する作用を行うのである。

【００１４】ここで、図１と共に図２を参照すると、筒
形ケーシング２０は４隅を面取りされた略四角形の筒形
ケーシング形状を有してステータ部１６のステータコア
１８ａを包み込むように囲繞する外被構造を備え、その
４隅部に冷却液主管路６０を形成する４組の瓜形断面形
状を有した冷却管路６２ａ，６２ｂ、６４ａ，６４ｂ、
６６ａ，６６ｂ、６８ａ，６８ｂが形成されている。こ
れらの４組の冷却液管路６２ａから６８ｂは何れもモー
タの軸線方向に平行に貫通形成され、本実施例ではモー
タ中心に対して点対称に４組が設けられている。各組み
の冷却液管路、例えば冷却液管路６２ａ，６２ｂの間に
は後述する前後フランジ２２、２４をボルトねじで締結
する場合のねじ孔７０が形成されている。冷却液管路６
２ａ〜６８ｂは、筒形ケーシング２０の加工段階で穿削
または成形加工され、冷却液の円滑な流動を可能にする
ように路壁が滑らに形成される。また、ケーシング２０
の前後端面は面粗度がＲｍａｘ＝１ミクロン程度の仕上
げられ、前後フランジ２２、２４とＯリングを介しての
密着、結合性を高めて冷却液がこれらの端面でのＯリン
グの密着不良から漏出しないようにされる。上述した面
粗度の高精度面に仕上げるには、周知の丸駒バイトによ
る旋削、またはバニシングツールを用いた旋削加工によ
れば実現可能であることが確認されている。なお、上述
した前後フランジ２２、２４と、筒形ケーシング２０の
端面との密着、結合性を高める構造に就いては、後述す
る前後フランジ２２、２４に封止用のＯリングを装着
し、両フランジ２２、２４をボルトねじ１００（図１参
照）により筒形ケーシング２０に締結することにより、
完全な封止、密着性が得られ、冷却液の防止を図ること
が可能になる。

【００１５】図３の（ａ）、（ｂ）には後部回転軸受１
４ｂを支持する後部フランジ２４に形成された冷却液副
管路４０を構成する冷却液管路と端面に形成された封止
用Ｏリング７２が図示されている。本実施例では、後部
フランジ２４に冷却液の導入口４１と外被の冷却液管路
を通過後の冷却液を排出する排出口４２が設けられ、
又、導入口４１から導入された冷却液が流動する複数の
冷却液管路が形成されることにより上記の冷却液副管路
４０を構成している。即ち、冷却液副管路４０は、冷却
液管路４４〜５４によって構成され、冷却液管路４６、
４９、５２は後部フランジ２４の辺に沿って内部に延設
された比較的長尺の管路として形成され、後部フランジ
２４の側面からドリル等の工具で削設され、閉塞端には
パイプねじ５５をねじ込むことにより閉じている。なお
４隅部に形成された冷却液管路４４，４５、４７，４
８、５０，５１、５３，５４等は後部フランジ２４の厚
み方向に削設される比較的短い管路である。

【００１６】他方、筒形ケーシング２０にこの前部フラ
ンジ２２が密着される端面、即ち、図２の（ｂ）の紙面
に該当する面において、４隅部には瓜形の凹所５６が各
対応の管路４４，４５、４７，４８、５０，５１、５
３，５４を囲んで形成され、この凹所５６の縁に沿って
前述した封止用Ｏリング７２が装填されている。なお、
図６には冷却液管路を囲んで形成された凹所５６とＯリ
ング７２との関係を示す図３の（ｂ）のＧーＧ線に沿う
断面図が示されており、Ｏリング７２が筒形ケーシング
２０の端面に押し付けられると、封止機能を発揮して各
冷却液管路からの冷却液の漏れを防止するのである。な
お、凹所５６の加工は、周知の機械加工工具であるエン
ドミルを用いたフライス加工によって面粗度がＲｍａｘ
＝１ミクロン程度に簡単に形成することが可能である。

【００１７】また、後部フランジ２４を筒形ケーシング
２０に締結する際のボルトねじ１００（図１）を挿通す
るための孔５７も形成されている。なお、後部フランジ
２４の中央部には後部回転軸受１４ｂを支持する軸受穴
５８が形成されていることは言うまでもない。同様に、
図４の（ａ）と（ｂ）とは前部フランジ２２に形成され
た冷却液副管路８０を構成する複数の冷却液管路８１〜
９７を図示し、管路８２、８３、８６、８７、９１、９
２、９５、９６等の閉塞端は、前述と同様のパイプねじ
５５で閉じられている。また特に（ｂ）図側に明示の如
く、筒形ケーシング２０の前端面に衝合する端面には、
前述の後部フランジ２４の凹所５６と同様な凹所１０２
が対応する冷却液管路を囲繞するように削設、形成さ
れ、この凹所１０２に冷却液の漏れ止め、封止用のＯリ
ング７２が装填されている。

【００１８】勿論、この前部フランジ２２にも回転軸受
１４ａを支持する軸受孔９８が具備され、また、ケーシ
ング２０への締結用のボルトねじ１００が挿通される貫
通孔１０１が形成されていることは言うまでもない。以
上の構成を有した筒形ケーシング２０の冷却液主管路６
０、前後フランジ２２、２４の冷却液副管路４０及び８
０を設けることにより、本実施例の液冷モータは外部か
ら冷却液を導入し、外被要素である上記筒形ケーシング
２０、前後フランジ２２、２４に内蔵された管路を流動
させ、ロータ部１２及びステータ部１６の銅損熱や回転
時に軸受１４ａ、１４ｂで発生する摩擦熱を奪熱してモ
ータ機体の冷却を達成し、かつ、工作機械の主軸駆動源
として直結使用される場合も主軸を始めとする工作機械
側への伝熱が防止され、これら工作機械側の主軸等にお
ける熱変形を防止できるのである。

【００１９】図５は、図１に示した液冷モータにおける
冷却液の流動経路だけを分かり易くするために取出し図
示した回路図である。この図５に示す冷却液体の回路図
から導入口４１より導入された冷却液がモータ機体内の
順次にサイクル的に循環して最終的に排出口４２から排
出される様子が理解できる。すなわち、前後フランジ２
２、２４内に形成された冷却液副管路４０、８０は筒形
ケーシング２０の４隅所に形成された冷却液体主管路６
０を接続すると共に各フランジ２２、２４を冷却して回
転軸受から発生する熱の奪熱を行なうのである。

【００２０】図７の（ａ）は、本実施例に係る液冷モー
タの冷却による効果を従来の空冷モータと対比して示し
たグラフ図である。又、図７の（ｂ）はモータ機体の温
度検出位置を示している。温度検出は、従来、本発明共
にモータ回転数８，０００ｒｐｍで運転している場合に
検出を行なった場合を示している。そして、ステータ
部、ロータ部の銅損熱の奪熱効果を検出するのに適した
ケーシングの一点と回転軸受の発生熱の奪熱効果を検出
するのに適した前部フランジの一点とを温度検出点に選
定した測定結果がグラフ表示されている。

【００２１】同グラフから明らかなように、モータは従
来の空冷モータは７．５Ｋｗ出力で運転時の温度上昇が
時間の経過と共に顕著であるにも係わらず、本発明に係
る液冷モータでは、１８．５Ｋｗの出力で運転時の温度
上昇が従来の温度曲線より大幅に下部領域にあり、冷却
効果が顕著であることが理解できる。なお、冷却液の温
度変化も参考に示されている。

【００２２】上述の実施例では、後部フランジ２４から
冷却液を導入し、モータ外被の内部管路を循環後に再
び、後部フランジ２４から冷却液を機外に排出する構成
にしたが、他の実施例として必要に応じて、前部フラン
ジ２２や筒形ケーシング２０の適所から冷却液を導入す
るようにしても良いことは言うまでもない。

【００２３】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、液冷モータにおいて、モータ機体の外被を形
成する筒形ケーシングと前後フランジとを軸方向に封止
的に密着、結合し、これらのケーシング、フランジの内
部に冷却液の管路を形成したので、モータの発生熱、特
に、ステータ部の一次巻線に供給される一次電流による
銅損、ロータ部における二次電流による銅損、前後フラ
ンジで支持する回転軸受が高速回転と共に発生する摩擦
熱等の発生熱を高冷却率で冷却し、故に、この種の誘導
形モータを工作機械の主軸の駆動源に適用しても主軸に
伝熱による熱変形を来すことなく適用することができ
る。なお、上記の筒形ケーシングと前後フランジとは熱
良導性のアルミ材又はアルミ合金材から成るので、奪熱
作用の高能率化を助勢するのである。

【００２４】又、冷却液管路において、ケーシングと前
後フランジとの結合部はＯリングを用いた構造簡単にも
係わらず効果的な密着、封止機構を形成しているので、
液漏れは確実に防止でき、しかも、必要に応じて封止Ｏ
リングの交換等も簡単に行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に依る液冷用管路を外被内部に有した液
冷モータの１実施例の構造を示す縦断面図である。

【図２】図１のＡーＡ線によるステータ部分の断面図で
ある。

【図３】（ａ）は、図１のＢーＢ線による後部フランジ
に形成された冷却液の通路を示す断面図である。（ｂ）は同じく図１のＣーＣ矢視線による後部フランジ
に形成された冷却液の通路と封止機構とを示した端面図
である。

【図４】（ａ）は、図１のＤーＤ矢視線による前部フラ
ンジに形成された冷却液の通路と封止機構とを示した端
面図である。（ｂ）は図１のＥーＥ矢視線による端面図である。

【図５】図１に示した本発明の実施例による液冷モータ
の冷却液の流動経路を取り出し図示した冷却液回路の略
示図である。

【図６】図３（ｂ）及び図４（ｂ）のＦーＦ線及びＧー
Ｇ線に沿う断面図である。

【図７】（ａ）は、従来の空冷モータに対して本発明に
よる液冷モータの冷却効率の向上の様子を示したグラフ
図である。（ｂ）は（ａ）のデータを得た測定位置を示すモータの
略示図である。

【符合の説明】

１０…出力軸、１２…ロータ部、１４ａ…前部回転軸受、１４ｂ…後部回転軸受、１６…ステータ部、１８ａ…ステータコア、１８ｂ…ステータ巻線、２０…筒形ケーシング、２２…前部フランジ、２４…後部フランジ、４０…冷却液副管路、６０…冷却液主管路、８０…冷却液副管路、７２…Ｏリング。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者桝谷道山梨県南都留郡忍野村忍草字古馬場3580 番地ファナック株式会社商品開発研究所内 (72)発明者中澤康之山梨県南都留郡忍野村忍草字古馬場3580 番地ファナック株式会社商品開発研究所内 (56)参考文献特開平２−254945（ＪＰ，Ａ) 実開平１−101152（ＪＰ，Ｕ) 実開昭61−72063（ＪＰ，Ｕ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】冷却液で発生熱を冷却する液冷モータに
おいて、出力軸を有したロータの周囲に配設されるステ
ータの外周を囲繞するように設けられた熱良導性の筒形
ケーシングの周縁複数箇所に分散配置され、軸方向に貫
通する複数の冷却液主管路と、前記筒形ケーシングの前
後端面に封止、密着され、前記出力軸の軸受を支持する
前後両フランジに、前記筒形ケーシングの冷却液主管路
に連通した液通路として形成され、該複数の冷却液主管
路の接続用と共にモータ機外からの冷却液の導入及び排
出用として設けられた複数の冷却液副管路とを、具備し
て構成され、筒形ケーシングと前後フランジとから成る
外被内部を流動する冷却液で奪熱、冷却することを特徴
とした液冷モータ。
【請求項２】前記筒形ケーシングは４つの隅部を有し
た角筒形状のアルミ製ケーシングから成ると共に該４つ
の各隅部内部には冷却液往路と冷却液復路とから成る前
記冷却液主管路を４組具備してなり、前記前後フランジ
の何れか一方のフランジに形成された複数の前記冷却液
副管路の１つから導入された冷却液を第１組から第４組
までの前記４つの冷却液主管路を順次に通過後に他の１
つの冷却液副管路からモータ機外へ排出するようにした
ことを特徴とした請求項１に記載の液冷モータ。
【請求項３】前記前後フランジはアルミ製フランジか
ら成り、複数の冷却液副管路は、前記回転主軸の軸受の
周囲に設けられ、該軸受の回転熱を奪熱することを特徴
とした請求項１又は２に記載の液冷モータ。