JP6687588B2

JP6687588B2 - モータ駆動装置及びモータ駆動システム

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Publication number: JP6687588B2
Application number: JP2017242704A
Authority: JP
Inventors: 快福田; 涼松田
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2017-12-19
Filing date: 2017-12-19
Publication date: 2020-04-22
Anticipated expiration: 2037-12-19
Also published as: US20190190435A1; CN109936326B; US10840848B2; CN109936326A; JP2019110685A; DE102018221104A1

Description

本発明は、モータ駆動装置、及びこのモータ駆動装置を複数備えるモータ駆動システムに関する。

従来、モータ駆動装置では、パワー素子をスイッチングさせてモータに電流を流すことでモータを駆動している（例えば、特許文献１参照）。このとき、パワー素子やその周辺回路は発熱し、モータ駆動装置が設置されている強電盤の内部温度が上昇する。この対策として、強電盤の内部に熱交換器を設けることが一般的に行われている。

特開２０１２−１７０２００号公報

しかしながら、熱交換器の熱交換能力が一定の場合、パワー素子等の発熱量が小さいときに熱交換器の能力が過剰となる。一方で、強電盤内の温度に応じて熱交換器の制御を行うことで熱交換器の消費電力を抑えることができるが、温度センサが必要で製造コストの増大につながる。

本発明は、製造コストを抑えつつ、強電盤が備える熱交換器の消費電力を抑えることが可能となるモータ駆動装置及びモータ駆動システムを提供することを目的とする。

（１）本発明に係るモータ駆動装置（例えば、後述するモータ駆動装置１０，３０）は、筐体（例えば、後述する強電盤２）の内部に格納され、モータ（例えば、後述するモータＭＴＲ）を駆動するモータ駆動装置であって、前記モータに流す電流の値に起因せずに発熱する量を、第１熱量として格納する格納部（例えば、後述する格納部１２）と、前記モータに流す電流の値を検出する電流検出部（例えば、後述する電流検出部１３）と、前記筐体の内部に放出する熱量を、前記格納部に格納されている前記第１熱量と、前記電流検出部が検出した値に応じた第２熱量と、の和で計算する熱量計算部（例えば、後述する熱量計算部１４）と、を備える。

（２）（１）のモータ駆動装置において、前記格納部は、前記モータに流す電流の値に起因して発熱する量のうち前記筐体の内部に放出する割合を格納し、前記熱量計算部は、前記電流検出部が検出した値に応じた熱量に、前記格納部に格納されている前記割合を乗じて前記第２熱量を計算してもよい。

（３）（１）又は（２）のモータ駆動装置は、前記熱量計算部が計算した熱量を外部装置（例えば、後述する熱交換器制御装置５）に対して通知する通知部（例えば、後述する通知部１５）を更に備えてもよい。

（４）本発明に係るモータ駆動システム（例えば、後述するモータ駆動システム２１）は、（１）又は（２）のモータ駆動装置を複数備えるモータ駆動システムであって、全ての前記モータ駆動装置における各々の前記熱量計算部が計算した熱量の合計が予め定められた閾値を超えた場合に、前記モータ駆動装置が前記筐体の内部に放出する熱の量を抑制する制御部（例えば、後述する周波数制御部３１）を備えてもよい。

（５）（４）のモータ駆動システムは、前記制御部として、スイッチング周波数を下げる周波数制御部（例えば、後述する周波数制御部３１）を備えてもよい。

（６）（４）又は（５）のモータ駆動システムは、全ての前記モータ駆動装置における各々の前記熱量計算部が計算した熱量の合計が予め定められた第２閾値を超えた場合に、警報を発する警報部（例えば、後述する警報部２５）を更に備えてもよい。

本発明によれば、製造コストを抑えつつ、強電盤が備える熱交換器の消費電力を抑えることが可能となるモータ駆動装置及びモータ駆動システムを提供することができる。

本発明の第１実施形態に係るモータ駆動システムの概略図である。図１に示すモータ駆動システムの概略構成を示すブロック図である。本発明の第２実施形態に係るモータ駆動システムの概略構成を示すブロック図である。熱量計算部が計算した熱量とパワー素子のスイッチング周波数との関係を示す図である。熱量計算部が計算した熱量と警報との関係を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、第２実施形態の説明において、第１実施形態と共通する構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。また、第２実施形態の説明において、第１実施形態が奏する効果と同様な効果については、その説明を割愛する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係るモータ駆動システム１の概略図である。図２は、図１に示すモータ駆動システム１の概略構成を示すブロック図である。

図１に示すように、モータ駆動システム１は、ＮＣ工作機械を制御する回路等が収容された強電盤（筐体）２の内部に格納され、モータＭＴＲを駆動する複数のモータ駆動装置１０を備えている。

強電盤２は、複数のヒートシンク３と、熱交換器４と、熱交換器制御装置（外部装置）５（図２参照）と、を備えている。

複数のヒートシンク３は、モータ駆動装置１０が備えるパワー素子（ＩＧＢＴ）１１の各々に密着するように強電盤２の外側に設けられ、モータ駆動装置１０が発した熱を強電盤２の外部に放出する。このヒートシンク３は、ファン（図示省略）を備えることで、放熱性能を高めたものであってもよい。

熱交換器４は、強電盤２の内外をつなぐように強電盤２に設けられ、モータ駆動装置１０が強電盤２の内部に放出した熱を強電盤２の外部に放出する。この熱交換器４は、ファン（図示省略）を備えており、熱交換器制御装置５（図２参照）によってファン（図示省略）の回転が制御される。

図２に示すように、モータ駆動装置１０は、格納部１２と、電流検出部１３と、熱量計算部１４と、通知部１５と、を備えている。

格納部１２は、熱量計算部１４が用いる数値データとして、発熱量（第１熱量）ａ［Ｗ］と、複数の発熱係数Ｋ［Ｗ／Ａｒｍｓ］と、割合ｑと、を格納しており、格納している数値データａ［Ｗ］，Ｋ［Ｗ／Ａｒｍｓ］，ｑを求めに応じて熱量計算部１４に向けて出力する。

発熱量ａ［Ｗ］は、サーボアンプ（図示省略）を制御するための制御部品が放出する熱量であり、サーボアンプがモータＭＴＲに流す電流の値に起因せずに一定である。複数の発熱係数Ｋ［Ｗ／Ａｒｍｓ］は、パワー素子１１（図１参照）のスイッチング周波数に応じた値である。割合ｑは、サーボアンプ（図示省略）がモータＭＴＲに電流を流す際に、パワー素子１１（図１参照）等が発熱する量のうち、強電盤２（図１参照）の内部に放出される割合である。すなわち、割合ｑは、サーボアンプ（図示省略）がモータＭＴＲに流す電流の値Ｉ［Ａｒｍｓ］に起因して発熱する量のうち強電盤２（図１参照）の内部に放出する割合である。

電流検出部１３は、サーボアンプ（図示省略）がモータＭＴＲに流す電流の値Ｉ［Ａｒｍｓ］を検出し、検出した値Ｉ［Ａｒｍｓ］を熱量計算部１４に向けて出力する。

熱量計算部１４は、モータ駆動装置１０が強電盤２（図１参照）の内部に放出する熱の量Ｐ［Ｗ］を、格納部１２に格納されている発熱量ａ［Ｗ］と、電流検出部１３が検出した値Ｉ［Ａｒｍｓ］に応じた熱量Ｋ［Ｗ／Ａｒｍｓ］×Ｉ［Ａｒｍｓ］に割合ｑを乗じた熱量（第２熱量）と、の和で計算し、通知部１５に向けて出力する。

すなわち、熱量計算部１４が計算する熱量Ｐ［Ｗ］は、Ｐ［Ｗ］＝ａ［Ｗ］＋ｑ×Ｋ［Ｗ／Ａｒｍｓ］×Ｉ［Ａｒｍｓ］で示される。例えば、ａ＝２０［Ｗ］、ｑ＝０．１５、Ｋ＝２０．２［Ｗ／Ａｒｍｓ］、Ｉ＝２２．５［Ａｒｍｓ］の場合、Ｐ＝８８．２［Ｗ］になる。

通知部１５は、熱量計算部１４が計算した熱量Ｐ［Ｗ］を熱交換器制御装置５に対して通知する。

熱交換器制御装置５は、通知部１５から通知された熱量Ｐ［Ｗ］の合計に基づいて、熱交換器４が備えるファン（図示省略）の回転を制御する。熱交換器４の必要風量（ファンの回転数）Ｑ［ｍ^３／ｓ］は、Ｑ［ｍ^３／ｓ］＝Ｐ_{ｔｏｔａｌ}［Ｗ］／（ρ［ｋｇ／ｍ^３］×Ｃ_ｐ［Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）］×ΔＴ［Ｋ］）で示されるように、通知部１５から通知された熱量Ｐ［Ｗ］の合計に比例する。なお、Ｐ_{ｔｏｔａｌ}［Ｗ］は通知部１５から通知された熱量Ｐ［Ｗ］の合計を示し、ρ［ｋｇ／ｍ^３］は空気密度（約１．２ｋｇ／ｍ^３）を示し、Ｃ_ｐ［Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）］は空気の定圧比熱（約１００７Ｊ／（ｋｇ・Ｋ））を示し、ΔＴ［Ｋ］は強電盤２（図１参照）の内部の許容温度と外気温度との差を示す。

次に、図１を用いて、モータ駆動装置１０が発した熱の経路について説明する。モータ駆動装置１０が発した熱が外部に放出される経路は大きく分けて２つある。

１つ目は、強電盤２の外側に設けられたヒートシンク３を伝って外部に放出される経路である。この熱の経路は、ヒートシンク３が強電盤２の外部に設けられているため、強電盤２の内部の温度上昇には寄与しない。

２つ目は、強電盤２の内部に放出される経路である。強電盤２の内部に放出された熱は、熱交換器４によって強電盤２の外部に放出される。ここで、モータ駆動装置から強電盤２の内部に放出された熱量とその他強電盤内の機器から放出された熱量の和が、熱交換器４の能力を超えた場合、強電盤２の内部の温度が上昇する。

次に、参考として、パワー素子１１（図１参照）の発熱量が、サーボアンプ（図示省略）がモータＭＴＲ（図１参照）に流す電流の値Ｉ［Ａｒｍｓ］に比例する理由について説明する。パワー素子１１（図１参照）の発熱量（損失）は大きく分けて２つある。

１つ目は、パワー素子１１がＯＮからＯＦＦ、又はＯＦＦからＯＮへ切り替わる際に発生する熱の量（スイッチング損失）である。スイッチング損失は、電流×電圧をスイッチング時間で積分して計算できる。電源電圧に依存する電圧は、電流にかかわらず一定であるので、電流×電圧の積分値は電流に比例する。このため、スイッチング損失は電流の値Ｉ［Ａｒｍｓ］に比例する。

２つ目は、パワー素子１１（図１参照）がＯＮの時にコレクタ−エミッタ間に電位差が発生することによる熱量（定常損失）である。パワー素子１１の特性上、電流が変化しても電位差は略一定であるため、定常損失は電流の値Ｉ［Ａｒｍｓ］に略比例する。

以上のように、本実施形態に係るモータ駆動システム１によれば、熱量計算部１４によって、モータ駆動装置１０が強電盤２の内部に放出する熱の量Ｐ［Ｗ］を計算するので、その熱量Ｐ［Ｗ］に応じて熱交換器４の制御を行うことで、熱交換器４の消費電力を抑えることが可能となる。また、モータ駆動システム１によれば、温度センサを備えていないので、製造コストを抑えることができる。

［第２実施形態］
図３は、本発明の第２実施形態に係るモータ駆動システム２１の概略構成を示すブロック図である。図４は、熱量計算部１４が計算した熱量Ｐ［Ｗ］とパワー素子１１（図１参照）のスイッチング周波数との関係を示す図である。図５は、熱量計算部１４が計算した熱量Ｐ［Ｗ］と警報との関係を示す図である。

本実施形態に係るモータ駆動システム２１は、熱量計算部１４が計算した熱量Ｐ［Ｗ］に応じて熱交換器４の制御を行うことに代えて、熱量計算部１４が計算した熱量Ｐ［Ｗ］に応じてパワー素子１１（図１参照）のスイッチング周波数を切り替える点等が第１実施形態と相違する。

図３に示すように、モータ駆動システム２１は、入力装置２２と、閾値計算部２３と、判定部２４と、警報部２５と、複数のモータ駆動装置３０と、を備えている。モータ駆動装置３０は、周波数制御部（制御部）３１を備えている。

入力装置２２は、熱交換器の能力に関する値の入力が可能であり、入力された値を、強電盤が備える閾値計算部２３に向けて出力する。

閾値計算部２３は、入力装置２２から入力された値に基づいて判定部２４で判定に用いる閾値を計算し、計算した閾値を予め定められた閾値として判定部２４に向けて出力する。閾値計算部２３が計算する閾値は、熱量計算部１４が計算した熱量Ｐ［Ｗ］とパワー素子１１（図１参照）のスイッチング周波数との関係を決定する閾値（図３参照）と、熱量計算部１４が計算した熱量Ｐ［Ｗ］と警報との関係を決定する閾値（図４参照）と、がある。

判定部２４は、通知部１５から通知された熱量Ｐ［Ｗ］の合計と、閾値計算部２３から入力された閾値と、の関係に基づいて、周波数制御部３１、熱量計算部１４及び警報部２５に指令を出力する。

具体的に、判定部２４は、全てのモータ駆動装置３０における各々の通知部１５から通知された熱量Ｐ［Ｗ］の合計が、閾値計算部２３から入力された閾値を超えた場合に、パワー素子１１（図１参照）のスイッチング周波数を切り替える判定をし、判定結果に基づく指令を周波数制御部３１及び熱量計算部１４に出力する。

例えば、図４に示すように、判定部２４は、１つ目の閾値（例えば、２７００Ｗ）を超えていない場合に、スイッチング周波数を切り替えず高領域を維持する判定をし、１つ目の閾値を超えた場合に、スイッチング周波数を中領域に切り替える判定をし、２つ目の閾値（例えば、３０００Ｗ）を更に超えた場合に、スイッチング周波数を低領域に切り替える判定をする。

図３に戻って説明する。熱量計算部１４は、切り替えられたスイッチング周波数に応じた発熱係数Ｋ［Ｗ／Ａｒｍｓ］を用いて、モータ駆動装置３０が強電盤２（図１参照）の内部に放出する熱の量Ｐ［Ｗ］を計算し、通知部１５に向けて出力する。

また、判定部２４は、全てのモータ駆動装置３０における各々の通知部１５から通知された熱量Ｐ［Ｗ］の合計が、閾値計算部２３から入力された閾値（第２閾値）を超えた場合に、警報を発する判定をし、判定結果に基づく指令を警報部２５に出力する。

例えば、図５に示すように、判定部２４は、１つ目の閾値を超えた場合に、ウォーニングレベルの警報を発する判定をし、２つ目の閾値を更に超えた場合に、アラームレベルの警報を発する判定をする。

図３に戻って説明する。周波数制御部３１は、全てのモータ駆動装置３０における各々の通知部１５から通知された熱量Ｐ［Ｗ］の合計が、閾値計算部２３から入力された閾値を超えた場合に、判定部２４からの指令に基づいて、モータ駆動装置３０が強電盤２（図１参照）の内部に放出する熱の量を抑制する。

例えば、図４に示すように、周波数制御部３１は、１つ目の閾値（例えば、２７００Ｗ）を超えた場合に、パワー素子１１（図１参照）のスイッチング周波数を中領域に下げ、２つ目の閾値（例えば、３０００Ｗ）を更に超えた場合に、パワー素子１１（図１参照）のスイッチング周波数を低領域に下げる。

図３に戻って説明する。警報部２５は、全てのモータ駆動装置３０における各々の通知部１５から通知された熱量Ｐ［Ｗ］の合計が、閾値計算部２３から入力された閾値（第２閾値）を超えた場合に、判定部２４からの指令に基づいて、警報を発する。

例えば、図５に示すように、警報部２５は、１つ目の閾値を超えた場合に、ウォーニングレベルの警報を発し、２つ目の閾値を更に超えた場合に、アラームレベルの警報を発する。

以上のように、本実施形態に係るモータ駆動システム２１によれば、熱量計算部１４によって、モータ駆動装置３０が強電盤２（図１参照）の内部に放出する熱の量Ｐ［Ｗ］を計算するので、その熱量Ｐ［Ｗ］に応じて、モータ駆動装置３０が強電盤２（図１参照）の内部に放出する熱の量を抑制することが可能となる。このため、強電盤２（図１参照）の内部の温度が異常に上昇することを防ぐことができ、ひいては、部品の故障を防ぐことができる。仮に、モータ駆動装置３０が強電盤２（図１参照）の内部に放出する熱の量が増加した場合であっても、パワー素子１１（図１参照）のスイッチング周波数を下げることにより、機械の稼働を止めることなく、モータ駆動装置３０が強電盤２（図１参照）の内部に放出する熱の量をコントロールでき、稼働率の向上につながる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前述した実施形態に限るものではない。また、本実施形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本実施形態に記載されたものに限定されるものではない。

１，２１モータ駆動システム
２強電盤（筐体）
３ヒートシンク
４熱交換器
５熱交換器制御装置（外部装置）
１０，３０モータ駆動装置
１１パワー素子
１２格納部
１３電流検出部
１４熱量計算部
１５通知部
２２入力装置
２３閾値計算部
２４判定部
２５警報部
３１周波数制御部（制御部）
ＭＴＲモータ

Claims

筐体の内部に格納され、モータを駆動するモータ駆動装置であって、
前記モータに流す電流の値に起因せずに発熱する量を、第１熱量として格納する格納部と、
前記モータに流す電流の値を検出する電流検出部と、
前記筐体の内部に放出する熱量を、前記格納部に格納されている前記第１熱量と、前記電流検出部が検出した値に応じた第２熱量と、の和で計算する熱量計算部と、を備え、
前記格納部は、前記モータに流す電流の値に起因して発熱する量のうち前記筐体の内部に放出する割合を格納し、
前記熱量計算部は、前記電流検出部が検出した値に応じた熱量に、前記格納部に格納されている前記割合を乗じて前記第２熱量を計算するモータ駆動装置。
前記熱量計算部が計算した熱量を外部装置に対して通知する通知部を更に備える請求項１に記載のモータ駆動装置。
請求項１に記載のモータ駆動装置を複数備えるモータ駆動システムであって、
全ての前記モータ駆動装置における各々の前記熱量計算部が計算した熱量の合計が予め定められた閾値を超えた場合に、前記モータ駆動装置が前記筐体の内部に放出する熱の量を抑制する制御部を備えるモータ駆動システム。
前記制御部として、スイッチング周波数を下げる周波数制御部を備える請求項３に記載のモータ駆動システム。
全ての前記モータ駆動装置における各々の前記熱量計算部が計算した熱量の合計が予め定められた第２閾値を超えた場合に、警報を発する警報部を更に備える請求項３又は４に記載のモータ駆動システム。