JP2002125355A

JP2002125355A - 電動射出成形機とブラシレス三相ｄｃモータ

Info

Publication number: JP2002125355A
Application number: JP2000313377A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Onuma; 均大沼; Akihiro Hoshino; 昭広星野; Hiroshi Kuromaru; 廣志黒丸; Junji Murase; 淳治村瀬
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2000-10-13
Filing date: 2000-10-13
Publication date: 2002-04-26

Abstract

(57)【要約】【課題】大型化することなく出力トルクが大きいモー
タを用いて直接駆動を行う電動射出成形機を提供する。【解決手段】ステータ３のコイルが集中巻きであり、
回転子２が埋込永久磁石型であって、回転子の極数が１
４以上のブラシレス三相ＤＣモータ１を１以上用いて該
ブラシレス三相ＤＣモータにより直接駆動することを特
徴とする電動射出成形機を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、モータによる直接
駆動の射出動作を行う電動射出成形機とそれに用いるこ
とができる低速ブラシレス三相ＤＣモータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、射出成形機の分野において
は、油圧駆動から、モータによる電動駆動へと移行する
動きがあるが、一般的には、比較的高速で回転するモー
タの回転を動力伝導装置を介して減速し、材料を可塑化
して加熱バレルに充填する際にスクリュの駆動軸を回転
させる可塑化計量スクリュ駆動用の力や射出時にスクリ
ュを推進する射出駆動用の力、金型を開閉する際の前後
進駆動用の力に変換している（例えば、特開平１１−１
１５００６号公報参照）。動力伝導装置は、プーリとタ
イミングベルトを組み合わせたものなどが一般的である
が、タイミングベルトなどは寿命の限られたものであ
り、頻繁なメンテナンスを要する。近年さらにそれを押
し進めて、ＤＣモータの回転子軸をボールねじに直結し
てボールねじを直接駆動し、あるいは、ＤＣモータの回
転子軸に可塑化計量スクリュを直結してスクリュを直接
駆動して、射出動作を行う試みがなされている。

【０００３】このような公知技術の例として、例えば、
特開平１１−３２０６０２号公報に記載された射出成形
機がある。図３に示すこの従来例の電動機駆動方式の射
出成形機は、回転および進退自在にスクリュ１１を嵌挿
した加熱バレル１２を固着保持する射出ブラケット１８
に一体的に配設された第１の固定子コイル１９と、前記
第１の固定子コイルに対向し前記射出ブラケット内に回
転自在に配設された第１のボールねじ１６に一体的に結
合する第１の回転子１７とにより構成された射出駆動用
のモータを備えている。

【０００４】また、前記第１のボールねじ１６と噛合す
る第１のナット部材２０を一体的に固着して収納するス
ラストボックス２１に一体的に取付けられた第２の固定
子コイル２５と、前記第２の固定子コイルと対向し前記
スラストボックスに回転自在に収納され前記スクリュに
連結するスクリュ駆動軸１３に一体的に取付けられた第
２の回転子２４とにより構成された可塑化計量スクリュ
駆動用のモータがある。スクリュ１１は、キー１４およ
び割りカラー１５により、駆動軸１３に対し一体的に取
付けられている。スラストボックス２１は、内部に前記
第１のナット部材２０と共にスラストベアリング２２が
収納されており、前記ナット部材２０の前進によるスラ
スト荷重を受けるように構成されている。一方、前記ス
ラストボックス２１の回転を防止すると共に前記第１の
ナット部材２０およびスクリュ１１の回転によるスラス
トボックス２１の移動を案内するガイド軸２３が設けら
れている。

【０００５】さらに、この射出成形機は、移動ダイプレ
ート２７に一体的に取付けられた第２のボールねじ３０
と、前記第２のボールねじに噛合する第２のナット部材
３１を回転自在に配設収納したエンドプレート３３に一
体的に取付けられた第３の固定子コイル３４と、前記第
３の固定子コイル３４と対向し前記第２のナット部材に
一体的に取付けられた第３の回転子３２とにより構成さ
れた型締駆動用のモータを備えている。

【０００６】このように構成された電動射出成形機は、
スラストボックス２１に一体的に取付けてある第２の固
定子コイル２５への通電により、第２の回転子２４が取
付けられている駆動軸１３すなわちスクリュ１１を回転
させ、ホッパから供給される材料を溶融しながら加熱バ
レル１２内を移送して、これをスクリュ１１の前方に計
量蓄積する。この間に、スクリュ１１は、後退限位置と
なり、固定金型２８と移動金型２９の型締めが完了する
と、前記計量した材料を射出すべく前進移動する。この
前進移動は、射出ブラケット１８に取付けられた第１の
固定子コイル１９への通電制御により、第１のボールね
じ１６を回転させ、このねじ１６に噛合する第１のナッ
ト部材２０すなわちこれに連なるスクリュ１１を前方へ
押圧する。

【０００７】このような直接駆動による射出軸押し出し
などをスムースに行うためのモータに対する要求は、工
業用ロボットや工作機械になどの他の産業機械用途と異
なり、特殊なものである。例えば、射出駆動用モータに
求められる仕様としては、回転速度４００〜６００ｒｐ
ｍで、高トルクを発生する必要がある。これは、射出圧
力が１８００〜２０００ｋｇｆ／ｃｍ²であり、射出速
度が１５０〜２００ｍｍ／ｓｅｃ、ボールねじのリード
が２０〜２５ｍｍであるという一般的な射出成形機に求
められる条件に由来するものである。しかし、現在市販
されている一般的なブラシレス三相ＤＣモータは、定格
回転数が１０００〜３０００ｒｐｍである。そして、現
在一般に用いられている極数４〜８、分布巻、回転子が
表面永久磁石型のブラシレス三相ＤＣモータを上記の条
件を満たすように設計すると、その大きさは相当に大き
なものとなり、射出成形機全体のコストを大幅に押し上
げる結果となる。

【０００８】したがって、従来では、射出駆動用モータ
として、市販されている汎用の三相ブラシレスＤＣモー
タを用いて、上記のように駆動伝達装置により減速して
間接駆動することが一般的であった。

【０００９】また、モータの大きさを押さえつつトルク
を増大するためには、多極化を図ることが考えられる。
しかし、ブラシレス三相ＤＣモータの極数を従来よりも
増大させようとすると、モータに電力を供給するための
インバータの出力周波数も増大する。すなわち、モータ
の回転数Ｎと、極数Ｐ、モータに電力を供給するインバ
ータの出力周波数ｆの間には、Ｎ＝１２０ｆ／Ｐという
関係がある。インバータの周波数ｆを大きくすると、所
定の要件を満たすノイズの少ない正弦波を生み出すイン
バータの上限周波数が２００Ｈｚからよくて３００Ｈｚ
程度であるため、同一のモータ回転数Ｎを得るために
は、極数Ｐがインバータの周波数ｆにより制限されてい
る。さらに、インバータの出力周波数ｆを増大させる
と、その周波数ｆおよびｆの２乗に比例して鉄損が増加
することも知られている。したがって、鉄損の増大を防
ぐためにも駆動周波数は極力低く終える必要がある。こ
れらの理由により、従来の回転数１０００〜３０００ｒ
ｐｍのモータにおいては、大きな極数は用いられていな
かった。

【００１０】さらに、ブラシレス三相ＤＣモータにおい
ては、一般に、トルクリップルを減らすためステータに
分布巻きを、回転子の表面に永久磁石が露出するように
配置する表面永久磁石型を採用したものが多い。トルク
リップルが大きいとスムースな射出ができなくなり、成
形物の表面に模様ができてしまう原因となる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記のよう
な従来技術の有する問題に鑑み、低速回転で高トルクが
得られるモータを組み込んだ直接駆動の射出動作を行う
射出成形機とそれに用いる低速回転で高トルクが得られ
るブラシレス三相ＤＣモータを提供する。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記の問
題を検討した結果、射出成形機の射出駆動軸を直接駆動
するためのモータとして、極数を大きな数に増やし、ス
テータに集中巻きを採用し、回転子を埋込永久磁石型と
したモータを用いることができることに想到した。その
結果、従来知られているブラシレス三相ＤＣモータより
もはるかに小型で、しかも低速回転時に高トルクと低リ
ップルが得られるモータを設計し、そのモータを組み込
んだ電動射出成形機を得ることができた。

【００１３】本発明は、ステータのコイルが固定子鉄心
のひとつの歯毎に集中して巻く集中巻きであり、回転子
が鉄心内に永久磁石を埋め込んだ埋込永久磁石型であっ
て、回転子の極数が１４以上のブラシレス三相ＤＣモー
タを１以上用いて該ブラシレス三相ＤＣモータにより直
接駆動することを特徴とする電動射出成形機を提供す
る。

【００１４】さらに、本発明は、射出時にスクリュをボ
ールねじの軸を回転させて推進する射出駆動用のモータ
として、ステータのコイルが集中巻きであり、回転子が
埋込永久磁石型であって、回転子の極数が１４以上のブ
ラシレス三相ＤＣモータを１以上有してなり、該ボール
ねじ軸を該ブラシレス三相ＤＣモータの回転子軸により
直接駆動することを特徴とする射出成形機を提供する。

【００１５】また、本発明は、射出材料の可塑化計量を
行う際の可塑化計量スクリュ軸の駆動用のモータとし
て、ステータのコイルが集中巻きであり、回転子が内部
埋込磁石型であって、回転子の極数が１４以上のブラシ
レス三相ＤＣモータを１以上有してなり、該スクリュ軸
を該ブラシレス三相モータの回転子軸により直接駆動す
ることを特徴とする射出成形機を提供する。

【００１６】また、本発明は、射出材料を注入する金型
を開閉する際に金型を前後進させるためのボールねじ軸
駆動用のモータとして、ステータのコイルが集中巻きで
あり、回転子が埋込永久磁石型であって、回転子の極数
が１４以上のブラシレス三相ＤＣモータを１以上有して
なり、該ボールねじ軸を該ブラシレス三相モータの回転
子軸により直接駆動することを特徴とする射出成形機を
提供する。

【００１７】さらに、本発明は、ステータのコイルが集
中巻きであり、回転子が埋込永久磁石型であって、回転
子の極数が１４以上の高トルク低速回転用ブラシレス三
相ＤＣモータを提供する。

【００１８】ここで、「直接駆動する」とは、歯車や、
ベルト、チェーン、その他の動力伝達装置を用いること
なく、モータの回転子の回転を減速することなく直接的
に最終的に回転されるべき回転軸に伝えることを意味す
る。

【００１９】モータを大型化することなく、射出成形機
の直接駆動用に求められる諸条件の一つである高トルク
を得るために、本発明においては、回転子の永久磁石の
極数を大きくする。本発明においては、極数は１４から
３２が望ましく、より具体的には、１６，２０，２４，
２８極がさらに好ましいが、これに限定されるものでは
ない。このような多極化により、モータ体積に対する出
力の比であるエネルギー密度を上げることができる。さ
らに、磁路断面積を小さくすることができるので、各部
の肉厚を減らすことができる。

【００２０】さらに、より高いトルクを得るために、埋
込磁石型の回転子を採用する。埋込永久磁石型の回転子
においては、通常立方体形状の永久磁石を回転子の中に
埋め込んで配列するものである。回転子の表面は円柱状
の形状をしているが、その中に立方体形状の永久磁石が
配列されることとなる。この回転子の形式は、一般に、
表面永久磁石型といわれる、回転子の表面の局面に沿っ
て磁石を配列した形式に対するものである。この埋込永
久磁石型の回転子は、下記に説明する原理により、表面
永久磁石型に比べて、より大きな最大トルクが得られ
る。

【００２１】そして、ステータへのコイルの巻き方につ
いては、ステータの鉄心の歯の一つ一つに１相分の巻き
線を巻き付ける集中巻きを採用する。電気的な３相位相
関係がなり立てば、モータの歯数は、３の倍数となり、
その個々の歯に１相分の巻き線を巻き付けるものであ
る。集中巻きによると、コイルエンドの巻き線量を減ら
すことができる利点があり、また、巻き方が分布巻きと
いわれる複数の歯にわたってコイルを巻き付けていく方
式に比べて簡単であり、巻き線の自動化に適している。
これらの利点は、歯の数が多くなるほど重要になる。

【００２２】これらの埋込永久磁石型と集中巻きの持つ
問題としては、トルクリップルが比較的に大きくなる点
がある。しかし、本発明においては、回転子の極数を極
めて大きな１４以上としているため、これに合わせてス
テータの歯数を選定することにより、極数と歯数の最小
公倍数を非常に大きなものとすることができる。このよ
うに極数と歯数の最小公倍数を大きくすることによっ
て、実際に出るトルクリップルを小さくすることができ
る。以下に、本発明において採用することができる回転
子の極数とステータの歯数、そしてそれらの最小公倍数
の例を表にして示す。これらは例示であって、これ以外
の極数、歯数、そして極数と歯数の組み合わせが可能で
あることはいうまでもない。なお、この最小公倍数は、
トルクリップルの面からいえば大きいほど好ましい。し
たがって、歯の数は１８以上が好ましい。

【００２３】極数歯数最小公倍数１６１８１４４２０１８１８０２４２７２１６２８２４１６８

【００２４】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を、図を参照
して例を用いて説明するが、本発明の範囲は、例示の形
態に限定されるものでは全くない。

【００２５】図１に本発明にかかるモータの断面を模式
的に示す。図１では、回転子の極数は１６とし、ステー
タの歯数またはスロット数は１８とした。図示されてい
るようにモータ１は、鉄心内部に永久磁石を有する回転
子２とその外側にステータ３とからなっている。回転子
２の内部には、ほぼ立方体で同一形状の永久磁石４が１
６個、鉄材の中に埋め込まれている。永久磁石４は相互
に等間隔に、わずかに離間して配置されている。回転子
の表面は、円筒状である。そして、ステータ３の個々の
歯にコイル５が１相分巻き付けられており、いわゆる集
中巻きとなっている。

【００２６】回転子２の内部は中空であっても中実であ
ってもよい。また、永久磁石４は、回転子２内部に設け
たスロットに外部から挿入することにより容易に配置す
ることができる。この永久磁石４は方形であるので、表
面永久磁石型の回転子に求められるような曲面がなく、
製造コストを低減することができる。

【００２７】上述のように、本発明において採用されて
いる埋込永久磁石型の回転子は、得られるトルクが高
い。これは、図２の（Ａ）および（Ｂ）に示すフェザー
図を見ることにより理解できる。この図において、ωは
回転角速度（ｒａｄ／ｓｅｃ）、ｒは電機子巻線抵抗、
Ｘは、同期リアクタンスである。回転数に応じた誘起電
圧が発生するが、それをＸ軸に取る。ｊωＸＩが無効電
圧となる成分であり、これは電流に比例するトルク発生
成分ｒＩに直交するものである。一般にモータの出力Ｐ
_OUTは、印加電圧Eとモータを流れる電流Ｉに力率と呼ば
れる電流と電圧の位相差φのコサインを取ったもの積に
比例する。Ｐ_out＝√３・Ｅ・Ｉ・ｃｏｓφ

【００２８】そして、図２（Ａ）に示す埋込永久磁石型
の場合には、電流の位相を回転子の回転より若干進める
ことに永久磁石とステータの間にある回転子の鉄に起因
するリラクタンストルクをうまく利用することができ
る。したがって、電流を角度θだけ進めることができ、
電流と電圧の位相差φを小さくすることができる。した
がって、力率ｃｏｓφは、０．９〜１．０近くの大きな
ものとなる。換言すれば、埋込永久磁石型の場合には、
回転子の磁石から得られるマグネットトルクに加えて、
磁石の外側にある鉄に起因する位相がずれて発生するリ
ラクタンストルクを利用することができる。これらの二
つの成分を合わせることにより、より効率の高いモータ
が得られる。

【００２９】これに対し図２（Ｂ）に示す表面永久磁石
型の場合には、電流を進ませることはできないので、結
果として、位相差φは比較的大きいものとなり、力率ｃ
ｏｓφも０．６〜０．７程度である。

【００３０】本発明においては、上記のような高トルク
低速ブラシレス三相ＤＣモータを電動射出成形機の可塑
化計量スクリュ駆動軸や射出時にスクリュを推進する射
出駆動軸および金型を前後進させる型開閉駆動軸を、ギ
アや、プーリとタイミングベルト、チェーンとスプロケ
ットなどの動力伝達装置を介することなく直接駆動する
ことができる。特に大きなトルクを要求される射出駆動
軸の駆動に上述のような本発明によるモータを好適に用
いることができるが、一般に射出成形装置に求められ
る、型の移動や型締めのための動力源、可塑化計量スク
リュの駆動の動力源などとして用いることができる。ま
た、より大きなトルクを得るために２以上のモータを直
列または並列に設けて、それぞれ、単数または複数の駆
動軸を直接駆動することも本発明の範囲に含まれるもの
である。並列に配置されたモータでボールねじを駆動す
る場合には、モータの数だけボールねじを用意し、各ボ
ールねじをそれぞれモータで直接駆動することにより推
進力を得ることができる。

【００３１】

【発明の効果】上述のように、本発明によれば、大型化
せずに、低速回転で高トルクが得られるモータを組み込
んだ直接駆動の射出動作を行う射出成形機と、それに用
いる低速回転で高トルクが得られるブラシレス三相ＤＣ
モータが提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるブラシレス３相ＤＣモータの断面
を示す模式図である。

【図２】回転子の埋込永久磁石型と表面永久磁石型のト
ルク特性を調べるためのフェザー図である。

【図３】従来からある直接駆動式電動射出成形機の一例
を示す側面図である。

【符号の説明】

１ブラシレスモータ２回転子３ステータ４永久磁石５コイル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０２Ｋ 19/10 Ｈ０２Ｋ 19/10 Ａ５Ｈ６２１ 29/00 29/00 Ｚ５Ｈ６２２ (72)発明者黒丸廣志愛知県名古屋市中村区岩塚町字高道１番地三菱重工業株式会社産業機器事業部内 (72)発明者村瀬淳治愛知県名古屋市中村区岩塚町字高道１番地三菱重工業株式会社産業機器事業部内Ｆターム(参考） 4F202 CA11 CB01 CL01 CL22 CL39 4F206 JA07 JD03 JQ83 JT02 JT05 JT32 JT35 JT38 5H019 AA02 CC03 CC08 DD01 EE01 5H603 BB01 BB10 BB12 CA01 CA05 CB01 CC11 CC17 5H619 AA01 AA05 BB01 BB06 BB13 BB15 BB24 PP01 PP02 PP05 PP06 PP08 PP12 5H621 AA03 BB10 GA01 GA04 GA12 GA15 GA16 HH01 JK02 JK05 JK13 PP03 5H622 AA03 CA02 CA07 PP19 QA10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ステータがコイル巻線を固定子鉄心の
ひとつの歯毎に集中して巻く集中巻きであり、回転子が
鉄心内に永久磁石を埋め込んだ埋込永久磁石型であっ
て、回転子の極数が１４以上のブラシレス三相ＤＣモー
タを１以上用いて該ブラシレス三相ＤＣモータにより直
接駆動することを特徴とする電動射出成形機を提供す
る。
【請求項２】射出時にスクリュをボールねじの軸を回
転させて推進する射出駆動用のモータとして、ステータ
がコイル巻線を固定子鉄心のひとつの歯毎に集中して巻
く集中巻きであり、回転子が鉄心内に永久磁石を埋め込
んだ埋込永久磁石型であって、回転子の極数が１４以上
のブラシレス三相ＤＣモータを１以上有してなり、ボー
ルねじ軸を該ブラシレス三相ＤＣモータの回転子軸によ
り直接駆動することを特徴とする電動射出成形機。
【請求項３】射出材料を注入する金型を開閉する際に
金型を前後進させるためのボールねじ軸駆動用のモータ
として、ステータがコイル巻線を固定子鉄心のひとつの
歯毎に集中して巻く集中巻きであり、回転子が鉄心内に
永久磁石を埋め込んだ埋込永久磁石型であって、回転子
の極数が１４以上のブラシレス三相ＤＣモータを１以上
有してなり、該ボールねじ軸を該ブラシレス三相ＤＣモ
ータの回転子軸により直接駆動することを特徴とする電
動射出成形機。
【請求項４】ステータの歯数が１８以上であることを
特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電動射出
成形機。
【請求項５】ステータがコイル巻線を固定子鉄心のひ
とつの歯毎に集中して巻く集中巻きであり、回転子が鉄
心内に永久磁石を埋め込んだ埋込永久磁石型であって、
回転子の極数が１４以上の高トルク低速回転用ブラシレ
ス三相ＤＣモータ。
【請求項６】ステータの歯数が１８以上であることを
特徴とする請求項４に記載のブラシレス三相ＤＣモー
タ。
【請求項７】ステータの歯数と回転子の極数の最小公
倍数が１４４以上であることを特徴とする請求項５に記
載のブラシレス三相ＤＣモータ。