JP6092972B1 - 複数のスイッチング素子を備える工作機械のモータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】筐体の内部に配置されたスイッチング素子の放熱を効果的に行うモータ駆動装置を提供する。【解決手段】モータ駆動装置１０は、筐体２１の外部に配置された第１のヒートシンク１１と、筐体２１の内部に配置された第２のヒートシンク１２と、第１のヒートシンク１１と第２のヒートシンク１２とを熱的に接続する伝熱板５１とを備える。第１のヒートシンク１１には、主軸用のスイッチング素子３１が載置され、第２のヒートシンク１２には、送り軸用のスイッチング素子３２ｂが載置されている。【選択図】図２

Description

本発明は、複数のスイッチング素子を備えるモータ駆動装置に関する。

工作機械は、ワークまたは工具を移動させながらワークを加工することができる。工作機械には、ワークまたは工具を保持した主軸を回転させるための主軸モータが配置される。また、工作機械には、所定の送り軸の方向にワークまたは工具を移動するための送り軸モータを備えている。

工作機械は、これらのモータを駆動する為のモータ駆動装置を備える。モータ駆動装置は、モータに供給する電流を制御する為の半導体素子やコンデンサなどを含む。モータ駆動装置は、例えば、電磁開閉器、リレーまたはバッテリなどが配置される強電盤の内部に配置される。モータに電流を供給したり遮断したりするための半導体素子としては、スイッチング素子が用いられる。スイッチング素子は、駆動すると共に発熱するために、ヒートシンクやファンなどにより冷却される。

特開２０１４−１６５３６０号公報においては、単一の発熱源に接続されているヒートシンクを延ばして、筐体と接続したサーボアンプが開示されている。このサーボアンプでは、発熱源からの熱を筐体に伝達することにより、発熱源の冷却を行うことが開示されている。

特開２００１−３４５５８４号公報においては、筐体の内部の上側に吸熱用ヒートシンクを配置し、筐体の内部の下側に放熱用ヒートシンクを配置した電子制御装置が開示されている。この電子制御装置では、吸熱用ヒートシンクと放熱用ヒートシンクを熱伝導性の良好な熱伝導板で接続することが開示されている。

特開２００３−２４３８６２号公報においては、発熱部品が取付けられ、筐体の内部に配置された内部ヒートシンクと、筐体の外部に配置された外部ヒートシンクとを備える電子機器が開示されている。内部ヒートシンクは、熱伝導ゴムシートを介して外部ヒートシンクに熱を伝導させる。この電子機器では、発熱部品で発生した熱を内部ヒートシンクと外部ヒートシンクとから放出することが開示されている。

特開２０１４−１６５３６０号公報 特開２００１−３４５５８４号公報 特開２００３−２４３８６２号公報

複数のモータを一台のモータ駆動装置で駆動する場合、モータの個数に応じた個数のスイッチング素子が必要になる。スイッチング素子は、複数のフィンを有するヒートシンクの表面に載置されることにより冷却することができる。スイッチング素子を冷却するヒートシンクは、放熱性の観点からモータ駆動装置の筐体の外側に配置されることが好ましい。

ところが、工作機械の送り軸が多くなり、スイッチング素子の個数が多くなると、１つのヒートシンクには全てのスイッチング素子が載置されない場合がある。また、ヒートシンクを配置する領域は限られており、多くのスイッチング素子を１つのヒートシンクにて冷却すると、１つのスイッチング素子あたりの冷却能力が低くなってしまう。

１つのヒートシンクに全てのスイッチング素子を載置できない場合には、複数のヒートシンクを配置することができる。ところが、モータ駆動装置の大きさの制約などから、複数のヒートシンクの全てを、モータ駆動装置の筐体の外部に設けることができない場合がある。そのような場合は、筐体の内部にもヒートシンクを配置する。

筐体の内部に配置されたヒートシンクは、配置される空間の条件のために小型であり、冷却能力が低い場合が多い。筐体の内部に配置されたヒートシンクの冷却能力を高くするためには、冷却ファンの風量を上げることが考えられる。ところが、冷却ファンの消費電力が大きくなってしまう。また、一般的にファンの回転数が大きくなるにつれて、モータの寿命は短くなるために、冷却ファンの信頼性は低下する。このために、スイッチング素子の温度上昇が大きくなる場合には、スイッチング素子の出力を抑える必要があった。

本発明のモータ駆動装置は、工作機械の主軸モータおよび送り軸のモータを駆動するモータ駆動装置であって、主軸モータを駆動する主軸用のスイッチング素子と、送り軸のモータを駆動する送り軸用のスイッチング素子とを備える。モータ駆動装置は、基板に取り付けられる部品を覆う筐体と、筐体の外部に配置された第１のヒートシンクと、筐体の内部に配置された第２のヒートシンクと、第１のヒートシンクと第２のヒートシンクとを熱的に接続する伝熱板とを備える。第１のヒートシンクには、主軸用のスイッチング素子が載置され、第２のヒートシンクには、送り軸用のスイッチング素子が載置されている。

上記発明においては、伝熱板の一方の端部は、第１のヒートシンクと主軸用のスイッチング素子とに挟まれており、伝熱板の他方の端部は、第２のヒートシンクと送り軸用のスイッチング素子とに挟まれることができる。

上記発明においては、伝熱板は、基板に取り付けられる部品を回避するように曲げられた曲がり部を有することができる。

本発明によれば、筐体の内部に配置されたスイッチング素子の放熱を効果的に行うモータ駆動装置を提供することができる。

実施の形態における工作機械のブロック図である。 実施の形態におけるモータ駆動装置の概略斜視図である。 実施の形態におけるモータ駆動装置の蓋部を取り外した時の概略斜視図である。 比較例のモータ駆動装置の概略斜視図である。 実施の形態における他のモータ駆動装置の蓋部を取り外した時の概略斜視図である。

図１から図５を参照して、実施の形態におけるモータ駆動装置について説明する。本実施の形態のモータ駆動装置は、工作機械に取り付けられているモータを駆動する装置である。

図１は、本実施の形態の工作機械のブロック図である。工作機械１は、ワークに対する工具の相対位置および姿勢を変化させる送り軸を有する。本実施の形態の工作機械における送り軸は、３つの直動軸（Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸）により構成されている。工作機械１の送り軸としては、この形態に限られず、任意の直動軸や回転送り軸から構成することができる。

工作機械１は、送り軸に沿ってワークまたは工具を移動する移動装置を備える。移動装置は、それぞれの送り軸に対応して配置されたモータである送り軸モータ５を備える。本実施の形態では、工作機械１は、３個の送り軸を有するために、３個の送り軸モータ５が配置されている。また、工作機械１は、ワークまたは工具を保持した主軸を回転させる主軸モータ６を備える。主軸モータ６が駆動することにより、ワークまたは工具が主軸の軸線の周りに回転する。

工作機械１は、送り軸モータ５および主軸モータ６を制御する数値制御装置２を備える。数値制御装置２は、バスを介して互いに接続されたＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、およびＲＯＭ（Read Only Memory）等を有する演算処理装置により構成されている。

工作機械１を動作させる動作プログラム７は、作業者により予め生成されている。数値制御装置２は、動作プログラム７を記憶する記憶部３と、動作プログラムに基づいてモータの動作指令を生成する動作制御部４とを含む。工作機械１は、数値制御装置２にて生成された動作指令に基づいて、送り軸モータ５および主軸モータ６に電流を供給するモータ駆動装置１０を備える。

図２に、本実施の形態におけるモータ駆動装置の斜視図を示す。図３に、筐体の蓋部を取り外したときのモータ駆動装置の斜視図を示す。図２および図３を参照して、モータ駆動装置１０は、基板としてのプリント基板１５を備える。プリント基板１５の表面には、さまざまな電気部品が取り付けられている。モータ駆動装置１０は、電気部品を覆う筐体２１を備える。本実施の形態の筐体２１は、底板部２２と蓋部２３とを含む。蓋部２３は、底板部２２から取り外すことができるように形成されている。プリント基板１５は、底板部２２に固定されている。

本実施の形態のモータ駆動装置１０は、複数のスイッチング素子３１，３２ａ，３２ｂを備える。本実施の形態のスイッチング素子３１，３２ａ，３２ｂは、半導体により形成されているパワー半導体素子である。スイッチング素子３１，３２ａ，３２ｂは、それぞれのモータに供給する電流を調整する。本実施の形態のスイッチング素子は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。スイッチング素子としては、この形態に限られず、ＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等のトランジスタや、ＧＴＯサイリスタ（Gate Turn Off Thyristor）を例示することができる。

モータ駆動装置１０は、主軸モータ６を駆動する主軸用のスイッチング素子３１と、送り軸モータ５を駆動する送り軸用のスイッチング素子３２ａ，３２ｂとを備える。モータ駆動装置１０には、送り軸の個数に対応した個数の送り軸用のスイッチング素子３２ａ，３２ｂが配置されている。本実施の形態の工作機械１は、３個の送り軸モータ５を駆動するための３個のスイッチング素子３２ａ，３２ｂが配置されている。主軸用のスイッチング素子３１および送り軸用のスイッチング素子３２ａ，３２ｂは、プリント基板１５の表面に配置されている。

本実施の形態におけるモータ駆動装置１０は、スイッチング素子３１，３２ａ，３２ｂを冷却するための第１のヒートシンク１１および第２のヒートシンク１２を備える。それぞれのヒートシンクは、所定の方向に延びる複数のフィンを有する。

第１のヒートシンク１１には、主軸用のスイッチング素子３１と、２つの送り軸用のスイッチング素子３２ａとが載置されている。主軸用のスイッチング素子３１と、２つの送り軸用のスイッチング素子３２ａとは、プリント基板１５の端部において所定の方向に並ぶように配置されている。第１のヒートシンク１１は、長手方向を有し、この長手方向がスイッチング素子３１，３２ａの並ぶ方向に平行になるように配置されている。そして、３つのスイッチング素子３１，３２ａを覆うように、第１のヒートシンク１１が配置されている。

第２のヒートシンク１２には、１つの送り軸用のスイッチング素子３２ｂが載置されている。１つの送り軸用のスイッチング素子３２ｂは、他の２つの送り軸用のスイッチング素子３２ａから離れて配置されている。第２のヒートシンク１２は、第１のヒートシンク１１から離れた位置に配置されている。

本実施の形態における第１のヒートシンク１１と、第１のヒートシンク１１に配置されている主軸用のスイッチング素子３１および２つの送り軸用のスイッチング素子３２ａは、筐体２１の外部に配置されている。また、本実施の形態においては、筐体２１の外側には充分な空間がないために、筐体２１の内部にも送り軸用のスイッチング素子３２ｂが配置されている。第２のヒートシンク１２および第２のヒートシンク１２に配置されている送り軸用のスイッチング素子３２ｂは、筐体２１の内部に配置されている。

モータ駆動装置１０は、第１のヒートシンク１１と第２のヒートシンク１２とを熱的に接続する伝熱板５１を備える。本実施の形態における伝熱板５１は、金属の板にて形成されている。伝熱板５１は、例えばアルミニウムや銅等の熱伝導率の高い材料で形成されることが好ましい。伝熱板５１の一方の端部は、第１のヒートシンク１１に接続されている。本実施の形態では、伝熱板５１の一方の端部は、第１のヒートシンク１１とスイッチング素子３１，３２ａに挟まれている。また、伝熱板５１の他方の端部は、第２のヒートシンク１２に接続されている。本実施の形態では、伝熱板５１の他方の端部は、第２のヒートシンク１２とスイッチング素子３２ｂとに挟まれている。

スイッチング素子３１，３２ａは、伝熱板５１を介して第１のヒートシンク１１に熱を放出する。また、スイッチング素子３２ｂは、伝熱板５１を介して第２のヒートシンク１２に熱を放出する。更に、第２のヒートシンク１２の熱は、伝熱板５１を介して第１のヒートシンク１１に伝達される。

ここで、図４に、比較例のモータ駆動装置の概略図を示す。比較例のモータ駆動装置７１においては、主軸用のスイッチング素子３１と２つの送り軸用のスイッチング素子３２ａは、筐体２１の外部に配置されている第１のヒートシンク１１に載置されている。また、筐体２１の内部には、送り軸用のスイッチング素子３２ｂおよび第２のヒートシンク１２が配置されている。比較例のモータ駆動装置７１においては、筐体２１の外部に配置されているスイッチング素子３１，３２ａは効果的に冷却することができる。ところが筐体２１の内部に熱が蓄積されるために、筐体２１の内部に配置されているスイッチング素子３２ｂの冷却能力は低くなる。

図２および図３を参照して、これに対して、本実施の形態のモータ駆動装置１０は、１つの主軸用のスイッチング素子３１と、２つの送り軸用のスイッチング素子３２ａとが筐体の外側に配置されている。また、これらのスイッチング素子３１，３２ａを冷却する第１のヒートシンク１１は筐体２１の外部に配置されている。第１のヒートシンク１１は、外気に直接的に熱を放出することができるために冷却能力が高い。このために、第１のヒートシンク１１は、主軸用のスイッチング素子３１と、２つの送り軸用のスイッチング素子３２ａとを効果的に冷却することができる。

本実施の形態のモータ駆動装置１０は、第２のヒートシンク１２が、伝熱板５１にて第１のヒートシンク１１に熱的に接続されている。筐体２１の内部では、第２のヒートシンク１２の放熱性能は低くなる。ところが、伝熱板５１にて第２のヒートシンク１２から第１のヒートシンク１１に熱を伝えることができて、第２のヒートシンク１２の冷却性能を向上させることができる。第２のヒートシンク１２は、筐体２１の内部に配置されているスイッチング素子３２ｂを高い冷却能力にて冷却することができる。

また、伝熱板５１は、筐体２１の内部の熱を筐体２１の外側に伝達することができる。このために、筐体２１の内部に残留する熱を外気に逃すことができる。

ところで、本実施の形態のモータ駆動装置１０は、主軸用のスイッチング素子３１が筐体２１の外側に配置されている第１のヒートシンク１１に載置されている。また、筐体２１の内部に配置されている第２のヒートシンク１２に載置されているスイッチング素子は、送り軸用のスイッチング素子３２ｂである。一般的に、複数種類のスイッチング素子のうち、主軸用のスイッチング素子３１が最も発熱する。主軸用のモータが連続的に高出力にて運転した時には、主軸用のスイッチング素子３１が連続的に発熱する。しなしながら、主軸用のスイッチング素子３１は、筐体２１の外部の第１のヒートシンク１１に載置されているために、効果的に冷却される。

ここで、主軸モータ６が高出力にて駆動している場合には、送り軸モータ５が高出力にて駆動する場合は少ない。これとは反対に、送り軸モータ５が高出力にて駆動している場合には、すなわち、送り軸モータ５が高速で駆動している場合には、主軸モータ６は、出力が小さいか、または、停止している場合が多い。

筐体２１の内部の送り軸用のスイッチング素子３２ｂが大きく動作して発熱しているときには、主軸用のスイッチング素子３１の発熱量は小さい。この場合には、第１のヒートシンク１１と第２のヒートシンク１２との温度差が大きくなり、第２のヒートシンク１２の熱を第１のヒートシンク１１に伝達することができる。そして、筐体２１の内部のスイッチング素子３２ｂを効果的に冷却することができる。

また、主軸用のスイッチング素子３１が大きく発熱している場合には、筐体２１の内部の送り軸用のスイッチング素子３２ｂの発熱量は小さくなっている場合が多い。このために、筐体２１の内部のスイッチング素子３２ｂは、第２のヒートシンク１２にて十分に冷却することができる。

このように、本実施の形態のモータ駆動装置１０は、スイッチング素子の数が多くても送り軸用のスイッチング素子を筐体の内部に配置することができる。そして、筐体の内部に配置したスイッチング素子も効果的に冷却することができる。

本実施の形態におけるモータ駆動装置１０は、第１のヒートシンク１１の表面に空気の流れを生じさせる第１の冷却ファン４１を備える。第１の冷却ファン４１は、筐体２１の外部に配置されている。第１の冷却ファン４１は、第１のヒートシンク１１の端部に対向するように配置されている。第１の冷却ファン４１が駆動することにより、矢印８１に示すように、第１のヒートシンク１１のフィンの延びる方向に空気の流れが生じる。

ここで、本実施の形態の主軸用のスイッチング素子３１は、第１のヒートシンク１１の長手方向の端部に接続されている。主軸用のスイッチング素子３１は、第１のヒートシンク１１において、空気の流れの上流側の領域に配置されている。主軸用のスイッチング素子３１には、温度の低い空気が接触するために効果的に冷却される。

また、本実施の形態の伝熱板５１の一方の端部は、第１のヒートシンク１１とスイッチング素子３１，３２ａとに挟まれており、他方の端部は、第２のヒートシンク１２とスイッチング素子３２ｂとに挟まれている。この構成により、スイッチング素子３２ｂにて大きな熱が発生した場合にも、スイッチング素子３２ｂの熱を速やかに第１のヒートシンク１１に伝達することができる。

本実施の形態においては、第２のヒートシンク１２を冷却するための第２の冷却ファン４２が筐体２１の蓋部２３に取り付けられている。また、蓋部２３には、蓋部２３の内部に空気を取り入れるためのスリット部４３が形成されている。スリット部４３は、第２の冷却ファン４２が配置されている側と反対側に形成されている。第２の冷却ファン４２が駆動することにより、蓋部２３の内部に空気の流れが生じて、第２のヒートシンク１２の冷却を促進することができる。

なお、モータ駆動装置１０の第１の冷却ファン４１および第２の冷却ファン４２は、必要に応じて回転数を調整することができる。本実施の形態では、筐体２１の内部に配置された第２のヒートシンク１２の熱は、伝熱板５１を介して筐体２１の外部に放出することができる。このために、第２の冷却ファン４２は配置されていなくても構わない。

本実施の形態のモータ駆動装置は、工作機械の強電盤に取り付けることができる。モータ駆動装置を強電盤に取り付ける場合には、強電盤の枠体の外側に第１のヒートシンクを配置するように取り付けることが好ましい。すなわち、モータ駆動装置は、第１のヒートシンクが外気に曝されるように配置されることが好ましい。この構成を採用することにより、強電盤の枠体の内部に第２のヒートシンクが配置されていても、伝熱板を介して第１のヒートシンクから大気中に放熱することができる。

図５に、本実施の形態における他のモータ駆動装置の蓋部を取り外した時の斜視図を示す。筐体２１の内部には、基板を支持する構造部品や電気部品などの部品が存在する。他のモータ駆動装置１３では、第１のヒートシンク１１と第２のヒートシンク１２との間に、プリント基板１５に取り付けられた電気部品６１が配置されている。他のモータ駆動装置１３は、伝熱板５２を備える。伝熱板５２は、電気部品６１と干渉しないように一部分が曲げられている。伝熱板５２は、複数の曲がり部５２ａを有する。本実施の形態では、曲がり部５２ａにおいて、伝熱板５２が折り曲げられている。伝熱板５２は、電気部品６１を回避するように形成されている。伝熱板５２に曲る部分を形成する場合には、任意の形状に曲り部を形成することができる。

熱を伝達する部材としては、例えばヒートパイプを取り上げることができる。しかしながら、ヒートパイプは、曲がる部分を形成することが難しい。これに対して、本実施の形態の伝熱板は、曲がり部を容易に形成することができる。そして、曲がり部は、基板に取り付けられる部品との干渉を回避するように、熱を伝達する経路を変更することができる。また、伝熱板は、曲がり部を有していても、第１のヒートシンクと第２のヒートシンクとを熱的に接続することができる。

上記の実施の形態は、適宜組み合わせることができる。上述のそれぞれの図において、同一または相等する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、特許請求の範囲に示される実施の形態の変更が含まれている。

１ 工作機械
２ 数値制御装置
５ 送り軸モータ
６ 主軸モータ
１０，１３ モータ駆動装置
１１ 第１のヒートシンク
１２ 第２のヒートシンク
１５ プリント基板
２１ 筐体
３１，３２ａ，３２ｂ スイッチング素子
５１，５２ 伝熱板
５２ａ 曲がり部
６１ 電気部品

Claims (3)

1. 工作機械の主軸モータおよび送り軸のモータを駆動するモータ駆動装置であって、
   主軸モータを駆動する主軸用のスイッチング素子と、
   送り軸のモータを駆動する送り軸用のスイッチング素子と、
   基板に取り付けられる部品を覆う筐体と、
   前記筐体の外部に配置された第１のヒートシンクと、
   前記筐体の内部に配置された第２のヒートシンクと、
   前記第１のヒートシンクと前記第２のヒートシンクとを熱的に接続する伝熱板とを備え、
   前記第１のヒートシンクには、主軸用のスイッチング素子が載置され、前記第２のヒートシンクには、送り軸用のスイッチング素子が載置されていることを特徴とする、モータ駆動装置。
2. 前記伝熱板の一方の端部は、前記第１のヒートシンクと主軸用のスイッチング素子とに挟まれており、
   前記伝熱板の他方の端部は、前記第２のヒートシンクと送り軸用のスイッチング素子とに挟まれている、請求項１に記載のモータ駆動装置。
3. 前記伝熱板は、基板に取り付けられる部品を回避するように曲げられた曲がり部を有する、請求項１または２に記載のモータ駆動装置。

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