JP2014007855A - ブラシレスｄｃモータの駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＤＣブラシレスモータを駆動するモータの発熱を抑制する。
【解決手段】駆動磁界を発生させる複数相の固定子巻線により形成されたステータ７１と、ステータ７１が発生する駆動磁界によって回転駆動されるロータ７０とを備えたブラシレスＤＣモータ７の駆動にあたり、ステータ７１に供給した電力の電流量を検出し、最大電流値とモータの定格電流値とから負荷率を算出し、算出した負荷率とスピンドル４の回転数とに応じ、ステータ７１に供給する電力の通電角を切り替えることにより、モータ７の発熱を抑制する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ブラシレスＤＣモータの駆動方法に関する。

各種加工装置には、モータによって駆動されて回転するスピンドルの先端に工具が装着され、回転する工具によって被加工物の加工が行われる構成のものがある。例えば、半導体ウェーハ等の被加工物を切削加工する切削装置は、モータによって回転駆動されるスピンドルの先端に切削ブレードが装着されており、高速回転する切削ブレードが被加工物に切り込むことにより被加工物が切削される。

スピンドルを回転駆動するモータとして、例えばＤＣブラシレスモータが利用されている。ＤＣブラシレスモータは、永久磁石からなる回転可能なロータと、電力の供給を受けて磁界を発生させることによりロータを回転させるステータとを備えており、スイッチング回路によってステータに供給する電力の通電角を１２０°ごとに切り替えることにより、モータを回転させている（例えば、特許文献１参照）。

特開平０８−１９６０９６号公報

しかし、工具が被加工物に接触することにより回転負荷が高くなると、回転数を維持するために駆動電流値が高くなるため、モータが発熱し、その発熱がスピンドルに伝熱してスピンドルが膨張することがある。こうしてスピンドルが膨張すると、工具の位置が変化し、加工精度が低下するという問題が生じる。モータの冷却を行っても、スピンドルの膨張を完全に防ぐことはできない。

本発明は、このような問題にかんがみなされたもので、ＤＣブラシレスモータを駆動するモータの発熱を抑制することを課題とする。

本発明は、駆動磁界を発生させる複数相の固定子巻線により形成されたステータと、回転自在に支持され永久磁石からなり該ステータが発生する駆動磁界によって回転駆動されるロータと、を備えたブラシレスＤＣモータの駆動方法に関し、ロータを回転させる駆動回路は、駆動磁界を発生させるための電力をステータに供給する電力供給部と、電力供給部によってステータの複数相の固定子巻線に供給される電力を切り替えるスイッチング部とで構成され、スイッチング部における電力の切替えは制御部によって制御され、制御部は、電力供給部がステータに供給した電力の電流量を検出する電流検出部と、電流検出部によって検出した電流の最大電流値とブラシレスＤＣモータの定格電流値とから最大電流値÷定格電流値×100＝負荷率（％）の式で求められる負荷率を算出する算出部と、ステータへの通電によって回転する該ロータの回転数を指令する回転指令部と、から構成され、算出部によって算出された負荷率と、回転指令部によって指令された回転数とに応じ、スイッチング部において、複数相の固定子巻線に供給する電力の通電角を切り替える。

被加工物を保持する保持手段と、保持テーブルが保持した被加工物を切削加工する切削ブレードをブラシレスＤＣモータによって回転させる切削手段と、保持手段と切削手段とを相対的に切削送りする切削送り手段とを少なくとも備えた切削装置を用いて、保持手段によって保持される被加工物と回転する切削ブレードを備えた切削手段とを切削送り手段によって相対的に切削送りして切削する切削加工においては、算出部が算出する負荷率が３０％を超えた時は、通電角を１２０°から１５０°に切り替えることが望ましい。また、被加工物を保持する保持手段と、保持テーブルが保持した被加工物を切削加工する切削ブレードをブラシレスＤＣモータによって回転させる切削手段と、保持手段と切削手段とを相対的に切削送りする切削送り手段とを少なくとも備えた切削装置を用いて、保持手段によって保持される被加工物と回転する切削ブレードを備えた切削手段とを切削送り手段によって相対的に切削送りして切削する切削加工においては、算出部が算出する負荷率が５％以上３０％以下でかつ回転数指令部が指令する回転数が３００００回転以上であるときは、通電角を１２０°から１５０°に切り替えることが望ましい。

本発明では、ステータに供給した電力の最大電流値を電流検出部が検出し、その最大電流値をモータの定格電流値で割ることによって求まる負荷率の値に基づき、ステータに供給する電力の通電角を切り替えることとしたため、モータの効率が高まり、モータからの発熱を抑制することができる。

切削装置の構成を示す断面図である。 モータ、モータを駆動する駆動回路及び駆動回路のスイッチングを制御する制御部を示す回路図である。 通電角の切替え方法の一例を示すフローチャートである。 通電角を１２０°とする場合の各相の波形図である。 通電角を１５０°とする場合の各相の波形図である。 負荷率と総合効率との関係を示すグラフである。 負荷率とモータからの排気の温度の上昇との関係を示すグラフである。

図１に示す切削装置１は、被加工物Ｗを保持する保持手段２と、保持手段２に保持された被加工物を切削加工する切削手段３とを備えている。

保持手段２は、回転可能であるとともに、切削送り手段２０によって駆動されてＸ軸方向に移動可能となっている。

切削手段３は、スピンドル４と、筒状に形成されスピンドル４を非接触状態で回転可能に支持するハウジング５と、スピンドル４の一端に装着された切削ブレード６と、スピンドル４の他端側に連結され回転駆動するモータ７とを備えており、Ｘ軸方向に直交するＹ軸方向及びＺ軸方向に移動可能となっている。

スピンドル４のうち、切削ブレード６に近い側には、スピンドル４の水平方向（Ｙ軸方向）の軸心に対して直交する方向に拡径したスラストプレート４０が形成されている。これに対応し、ハウジング５には、スラストプレート４０を収容する収容部５０が形成されている。

収容部５０は、スラストプレート４０に対して軸心方向に高圧エアを噴出することによりスピンドル４をスラスト方向に支持するスラストベアリング５１を備えている。一方、ハウジング５の内周には、スピンドル４の側面に対して高圧エアを噴出することによりスピンドル４をラジアル方向に支持するラジアルベアリング５２を備えている。

モータ７は、スピンドル４に連結されたロータ７０と、ロータ７０の外周側に配設されたステータ７１とから構成されている。ロータ７０は、永久磁石によって構成され、回転可能に支持されている。一方、ステータ７１は、ロータ７０を駆動する駆動磁界を発生させる複数相の固定子巻線により形成されており、ステータ７１に電流が流れて駆動磁界が発生することによってロータ７０を回転駆動する構成となっている。

ステータ７１は、駆動回路８に接続されている。駆動回路８は、駆動磁界を発生させるための電力をステータ７１に供給する電力供給部８０と、電力供給部８０がステータ７１の複数相の固定子巻線に供給する電力を切り替えるスイッチング部８１とで構成されている。

スイッチング部８１は、制御部９によって制御される。制御部９は、電力供給部８０がステータ７１に供給した電力の電流量を検出する電流検出部９０と、電流検出部９０によって検出した電流の最大電流値及びモータ７の定格電流値に基づき、
最大電流値÷定格電流値×１００＝負荷率（％）・・・（式１）
の式で求められる負荷率を算出する算出部９１と、ステータ７１への通電によって回転するロータ７０の回転数を指令する回転指令部９２とから構成される。

切削ブレード６は、スピンドル４の先端のマウント４１とフランジ６０とによって挟持され、ナット６１によって固定されており、切削手段３においては、モータ７によって駆動されてスピンドル４が回転することにより、切削ブレード６も回転する構成となっている。

モータ７は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の直流信号によって駆動される３相ブラシレスＤＣモータであり、図２に示すように、駆動回路８を構成するスイッチング部８１は、各相のスイッチング素子の出力側がモータ７のそれぞれのステータ７１に接続されて構成されている。

トランジスタの出力とステータ７１との間には、制御部９が接続されており、各相の信号出力を制御することができる。

以下では、図３に示すフローチャートに沿って、モータ７に供給する電力の通電角を制御する方法について説明する。

図１に示した切削装置１においては、モータ７によって駆動されてスピンドル４が回転することにより切削ブレード６が回転するとともに切削手段３が降下し、切削送り手段２０によって駆動されて保持手段２がＸ軸方向に移動することにより、保持手段２と切削手段３とが相対的に切削送りされ、回転する切削ブレード６が被加工物Ｗに切り込んで切削が行われる。モータ７は、制御部９の回転指令部９２によって指令された回転数で回転する（ステップＳ１）。

電力供給部８０がスイッチング部８１を介してステータ７１に供給した出力の電流値は、電流検出部９０によって測定される。一方、モータ７の定格電流値は、算出部９１にあらかじめ記憶されており、算出部９１では、電流検出部９０が検出した最大電流値及びモータ７の定格電流値から、上記式（１）により負荷率を算出する。

制御部９は、算出した負荷率と、回転指令部９２によって指令された回転数とに応じ、スイッチング部８１で各ステータ７１の複数相の固定子巻線に供給する電力の通電角を切り替える。

例えば、図４に示すように、各相の電力の通電角は、１２０°を基本としており、最初は、通電角を１２０°として切削を開始する。なお、図２及び図４におけるＵ＋は上アームのＵ相スイッチング素子を意味し、Ｕ−は下アームのＵ相スイッチング素子を意味している。Ｖ＋、Ｖ−、Ｗ＋、Ｗ−も同様である。

上記（式１）によって求めた負荷率が所定の値、例えば３０％を超えるか否かを制御部９が判断し（ステップＳ３）、負荷率が３０％を超えた場合は、図５に示すように、通電角を１５０°に切り替える（ステップＳ４）。

一方、負荷率が３０％を越えない場合は、制御部９は、負荷率が５％を超えているか否かを判断する（ステップＳ５）。そして、負荷率が５％を超えている場合は、次に、スピンドルの回転数が３００００ｒｐｍ以上かどうかを判断し（ステップＳ６）、スピンドルの回転数が３００００ｒｐｍ以上である場合は、通電角を１５０°に切り替える（ステップＳ４）。一方、スピンドルの回転数が３００００ｒｐｍに満たない場合は、通電角を１２０°とする（ステップＳ７）。

被加工物を複数回切削する場合は、例えば、１回目の切削時に、電流検出部９０によって電流値を計測し、そのときの負荷率を算出する。モータ７の負荷が高くなると、負荷電流が大きくなってモータ７が発熱するが、負荷率とモータ７の回転数とに基づき通電角を切り替えることにより、現実の負荷に対応してモータ７の発熱を抑制することができる。

なお、１回目の切削時に通電角を変更した場合は、切り込み量や回転数等の切削条件が変更されるまでは、負荷率の算出は行わない。また、切削加工をしていないアイドリング中や、加工終了後に被加工物を交換している間は、通電角を１２０°とする。

図１及び図２に示した切削装置１において実際に被加工物Ｗの切削を行い、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、そのときの負荷率と総合効率との関係を求めた。ここで、
総合効率［％］＝（モータ７の実際の出力）÷（電力供給部８０の出力）×１００
である。また、スピンドル４の回転数を３００００ｒｐｍと６００００ｒｐｍとし、そのそれぞれの回転数において、通電角を１２０°と１５０°に設定してそれぞれの場合の総合効率を算出した。

図６（ａ）に示すように、スピンドル４の回転数が３００００ｒｐｍである場合は、負荷率が３０［％］を超えると、通電角を１５０°とした場合の方が、通電角を１２０°とした場合よりも総合効率が高くなることが確認された。一方、スピンドル４の回転数が３００００ｒｐｍである場合において、負荷率が３０％以下では、通電角を１２０°とした場合の方が、通電角を１５０°とした場合よりも総合効率が高いことが確認された。

図６（ｂ）に示すように、スピンドル４の回転数が６００００ｒｐｍである場合においては、負荷率に関係なく、通電角を１５０°とした場合の方が、通電角を１２０°とした場合よりも総合効率が高いことが確認された。

したがって、スピンドル４の回転数がいずれの場合も、少なくとも負荷率が３０％を超えた時は、通電角を１２０°から１５０に切り替えると、総合効率が高まり、モータ４の発熱を抑制することができる。

また、スピンドル４の回転数を３００００ｒｐｍと６００００ｒｐｍとにそれぞれ設定した場合において、それぞれの回転数において、通電角を１２０°と１５０°に設定してそれぞれの場合におけるモータ７からの排気の温度上昇をそれぞれ求めた。その結果は、図７に示すとおりである。なお、モータ７からの排気の温度は、図１におけるロータ７０とステータ７１との間の隙間７２から排出されるモータ冷却用のエアの温度である。

図７（ａ）に示すように、スピンドル４の回転数が３００００ｒｐｍの場合は、負荷率が３０［％］を超えると、通電角を１５０°とした方が、通電角を１２０°とした場合よりも温度上昇を抑制できることが確認された。一方、負荷率が３０［％］以下の場合は、通電角を１２０°とした方が、通電角を１５０°とした場合よりも、モータ７からの排気の温度上昇を抑制できることが確認された。また、図７（ｂ）に示すように、スピンドル４の回転数が６００００ｒｐｍの場合は、負荷率が５％以上であると、通電角を１２０°とした場合よりも通電角を１５０°とする場合の方が温度上昇を抑制できることが確認された。

したがって、スピンドル４の回転数が３００００ｒｐｍ以上である場合は、少なくとも負荷率が５％以上３０％以下であると、通電角を１５０°とした方が、通電角を１２０°とした場合よりも温度上昇を抑制することができる。

１：切削装置
２：保持手段 ２０：切削送り手段 ３：切削手段
４：スピンドル ４０：スラストプレート ４１：マウント
５：ハウジング ５０：収容部 ５１：スラストベアリング ５２：ラジアルベアリング
６：切削ブレード ６０：フランジ ６１：ナット
７：モータ ７０：ロータ ７１：ステータ ７２：隙間
８：駆動回路 ８０：電力供給部 ８１：スイッチング部
９：制御部 ９０：電流検出部 ９１：算出部 ９２：回転指令部

Claims (3)

1. 駆動磁界を発生させる複数相の固定子巻線により形成されたステータと、回転自在に支持され永久磁石からなり該ステータが発生する駆動磁界によって回転駆動されるロータと、を備えたブラシレスＤＣモータの駆動方法であって、
   該ロータを回転させる駆動回路は、駆動磁界を発生させるための電力を該ステータに供給する電力供給部と、該電力供給部によって該ステータの該複数相の固定子巻線に供給される電力を切り替えるスイッチング部と、で構成され、
   該スイッチング部における該電力の切替えは、制御部によって制御され、
   該制御部は、該電力供給部が該ステータに供給した電力の電流量を検出する電流検出部と、該電流検出部によって検出した電流の最大電流値と該ブラシレスＤＣモータの定格電流値とから該最大電流値÷該定格電流値×100＝負荷率（％）の式で求められる負荷率を算出する算出部と、該ステータへの通電によって回転する該ロータの回転数を指令する回転指令部と、から構成され、
   該算出部によって算出された負荷率と、該回転指令部によって指令された回転数とに応じ、該スイッチング部において、該複数相の固定子巻線に供給する電力の通電角を切り替えるブラシレスＤＣモータの駆動方法。
2. 被加工物を保持する保持手段と、該保持テーブルが保持した被加工物を切削加工する切削ブレードを前記ブラシレスＤＣモータによって回転させる切削手段と、該保持手段と該切削手段とを相対的に切削送りする切削送り手段とを少なくとも備えた切削装置を用いて、
   該保持手段によって保持される被加工物と回転する該切削ブレードを備えた切削手段とを該切削送り手段によって相対的に切削送りして切削する切削加工において、
   前記算出部が算出する負荷率が３０％を超えた時は、前記通電角を１２０°から１５０°に切り替える請求項１記載のブラシレスＤＣモータの駆動方法。
3. 被加工物を保持する保持手段と、該保持テーブルが保持した被加工物を切削加工する切削ブレードを前記ブラシレスＤＣモータによって回転させる切削手段と、該保持手段と該切削手段とを相対的に切削送りする切削送り手段とを少なくとも備えた切削装置を用いて、
   該保持手段によって保持される被加工物と回転する該切削ブレードを備えた切削手段とを該切削送り手段によって相対的に切削送りして切削する切削加工において、
   前記算出部が算出する該負荷率が５％以上３０％以下でかつ前期回転数指令部が指令する回転数が３００００回転以上であるときは、前記通電角を１２０°から１５０°に切り替える請求項1記載のブラシレスＤＣモータの駆動方法。

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