JP7436237B2 - モータ駆動システム - Google Patents

Description

本発明は、モータ駆動装置及び冷却装置を備えるモータ駆動システムに関する。

工作機械等のモータを駆動するモータ駆動装置は、駆動電流を生成するための部品として、パワー半導体素子を備えている。パワー半導体素子は、作動中に発熱する部品（以下、「発熱部品」ともいう）であるため、モータの運転中、冷却する必要がある。発熱部品を冷却する手法として、例えば、ファンモータを用いた送風等による空冷の他、流路に冷却媒体を流通させる液冷が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１－１３６７５６号公報

冷却媒体を用いる液冷は、空冷に比べて、発熱部品の温度上昇の抑制が容易である。そのため、例えば、熱膨張等の熱に関する問題点の改善を図ることができる。
しかし、複数のモータ駆動装置を備えた構成において、冷却媒体により放熱部品を冷却する場合、冷却装置からそれぞれのモータ駆動装置に冷却媒体を流通させるための配管を個別に設ける必要がある。そのため、発熱部品を冷却媒体により液冷する構成においては、システム構成が複雑になる、コストが増加する等が課題となっていた。

本発明の目的は、システム構成の簡素化及びコストの低減が可能なモータ駆動システムを提供することにある。

本開示の一態様は、モータを駆動する複数のモータ駆動装置と、前記モータ駆動装置に冷却媒体を循環させることにより冷却する冷却装置と、を備え、前記モータ駆動装置は、発熱部品と、前記発熱部品を冷却する放熱器と、前記放熱器に接続され、内部に冷却媒体が流通する流路と、を備え、複数の前記モータ駆動装置の各々の前記流路は、隣接する前記モータ駆動装置の前記流路と互いに連通するように接続される、モータ駆動システムである。

本発明によれば、システム構成の簡素化及びコストの低減が可能なモータ駆動システムを提供することができる。

実施形態におけるモータ駆動装置１０の構成図である。 ヒートシンクアッセンブリ１００の斜視図である。 ヒートシンクアッセンブリ１００の平面図である。 ヒートシンク本体１３０の分解斜視図である。 モータ駆動ユニット１１におけるヒートシンクアッセンブリ１００の接続形態を示す概念図である。 モータ駆動装置１０の駆動電流制限レベルを調整する制御の処理手順を示すフローチャートである。

以下、本発明に係るモータ駆動システムの実施形態について説明する。
本明細書に添付した図面は、いずれも模式図であり、理解のしやすさを考慮して、各部の形状、縮尺、縦横の寸法比等を、実物から変更又は誇張している。
図１は、本実施形態におけるモータ駆動システム１の構成図である。図１に示すように、モータ駆動システム１は、モータ駆動装置１０、冷却装置２０、流量センサ３０、放熱能力算出部４０及び駆動電流制御部５０を備えている。また、各モータ駆動装置１０には、モータＭが接続されている。

モータ駆動装置１０は、モータＭに駆動電流を出力する装置である。図１では、３台のモータ駆動装置１０が設けられ、それぞれのモータ駆動装置１０が個別に配置されたモータＭにそれぞれ接続された例を示している。３台のモータ駆動装置１０は、隣接して配置されている。以下、３台のモータ駆動装置１０の集合体を「モータ駆動ユニット１１」ともいう。なお、モータ駆動システム１において、モータＭの数は、３台に限らず、２台以下でもよいし、４台以上でもよい。モータ駆動装置１０は、用意されたモータＭの数だけ設置される。

各モータ駆動装置１０の放熱能力は、すべて同じである。放熱能力とは、モータＭの駆動時に、モータ駆動装置１０の内部に設けられたヒートシンク本体１３０（後述）において放熱可能な熱量（ｋＷ）の最大値である。後述するように、３台のモータ駆動装置１０のヒートシンク１２０（冷却管１４０）は、冷却装置２０から供給される冷却水Ｗが順に通過するように接続されている。

冷却装置２０は、モータ駆動ユニット１１に冷却水Ｗ（冷却媒体）を循環させることにより、各モータ駆動装置１０の内部に設けられたヒートシンク本体１３０を冷却する装置である。冷却装置２０は、冷却水Ｗから熱を吸収する熱交換器（不図示）を備えている。冷却装置２０と各モータ駆動装置１０との間は、冷却水配管２１及び２２により接続されている。冷却水配管２１は、冷却水Ｗを冷却装置２０からモータ駆動ユニット１１に供給するための配管である。冷却水配管２２は、モータ駆動ユニット１１から排出された冷却水Ｗを冷却装置２０に戻すための配管である。

流量センサ（流量検出部）３０は、冷却装置２０からモータ駆動ユニット１１に供給される冷却水の流量（ｍ^３／ｓ）を検出する装置である。流量センサ３０で検出された冷却水の流量値は、放熱能力算出部４０へ送信される。なお、図１では、流量センサ３０を冷却水配管２１に設けた例を示しているが、流量センサ３０は、モータ駆動ユニット１１の運転時に、冷却装置２０から供給される冷却水の流量を検出することができれば、どこに設けられていてもよい。

放熱能力算出部４０は、モータ駆動ユニット１１の放熱能力を算出する。放熱能力算出部４０は、流量センサ３０で検出された冷却水Ｗの流量に基づいて、３台のモータ駆動装置１０の合計の放熱能力（熱量）を、モータ駆動ユニット１１の放熱能力として算出する。
駆動電流制御部５０は、放熱能力算出部４０で算出された放熱能力に基づいて、モータ駆動ユニット１１を構成する各モータ駆動装置１０の駆動電流制限レベルを調整する。駆動電流制限レベルとは、モータ駆動装置１０からモータＭへ供給される駆動電流の上限値である。モータ駆動装置１０において、モータＭを駆動するための駆動電流は、パワー半導体モジュール１１０（後述）を含む駆動回路から出力される。駆動電流制御部５０は、放熱能力算出部４０で算出された放熱能力に基づいて、各モータ駆動装置１０の駆動電流制限レベルを同一レベルに調整する。

放熱能力算出部４０及び駆動電流制御部５０は、例えば、ＣＰＵ（中央処理装置）、メモリを含むマイクロプロセッサにより構成される。放熱能力算出部４０及び駆動電流制御部５０は、所定のアプリケーションプログラムを読みだして実行することにより、各ハードウェアと協働して、後述する機能を実現する。

次に、モータ駆動装置１０に設けられたヒートシンクアッセンブリ１００の構成について説明する。
図２は、ヒートシンクアッセンブリ１００の斜視図である。図３は、ヒートシンクアッセンブリ１００の平面図である。図４は、ヒートシンク本体１３０の分解斜視図である。図５は、モータ駆動ユニット１１におけるヒートシンクアッセンブリ１００の接続形態を示す概念図である。なお、図５では、パワー半導体モジュール１１０（後述）の図示を省略している。

図２に示すように、ヒートシンクアッセンブリ１００は、複数のパワー半導体モジュール１１０と、ヒートシンク１２０とを備えている。パワー半導体モジュール１１０は、図３に示すように、複数のパワー半導体素子（発熱部品）１１１を及びその周辺素子（不図示）が配置されたアッセンブリモジュールである。パワー半導体素子としては、例えば、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）等の大電流、高耐電圧に対応した半導体素子が挙げられる。なお、図３に示すパワー半導体素子１１１の形状、個数、配置等は一例であり、図示の例に限定されない。パワー半導体モジュール１１０は、図２に示すように、ヒートシンク１２０の冷却面Ｆの上に実装されている。

ヒートシンク１２０は、パワー半導体モジュール１１０（パワー半導体素子１１１）で発生した熱を外部に放熱するための放熱装置である。ヒートシンク１２０は、ヒートシンク本体（放熱器）１３０と、冷却管（流路）１４０と、を備えている。
ヒートシンク本体１３０は、冷却面Ｆに設置されたパワー半導体モジュール１１０を冷却する構造体である。ヒートシンク本体１３０は、水冷板（水冷式の冷却板）として構成されており、内部に冷却管１４０（後述）が収納されている。

図４に示すように、ヒートシンク本体１３０は、第１冷却板１３１と、第２冷却板１３２と、を備えている。
第１冷却板１３１は、ヒートシンク本体１３０（ヒートシンク１２０）の冷却面Ｆを形成する板状の部材である。第１冷却板１３１は、厚さ方向において、冷却管１４０の半分（図中、上側の半分）が収納される複数の溝１３３を備えている。溝１３３は、第１冷却板１３１の長手方向に沿って設けられている。

第２冷却板１３２は、冷却管１４０を間に挟んで、第１冷却板１３１とは反対側に配置される板状の部材である。第２冷却板１３２は、厚さ方向において、冷却管１４０の残りの半分（図中、下側の半分）が収納される複数の溝１３４を備えている。溝１３４は、第２冷却板１３２の長手方向に沿って設けられている。第１冷却板１３１の溝１３３と第２冷却板１３２の溝１３４は、ヒートシンク１２０を平面視した場合に、一致する位置に設けられている。

第１冷却板１３１及び第２冷却板１３２は、例えば、アルミニウム合金、銅合金等の熱伝導性の高い材料により形成される。図４に示すように、第１冷却板１３１の溝１３３と第２冷却板１３２の溝１３４との間に冷却管１４０を挟み込み、２つの冷却板を接合することにより、ヒートシンク１２０を得ることができる。第１冷却板１３１、第２冷却板１３２及び冷却管１４０は、例えば、ロウ付け、圧入、熱伝導性及び耐熱性を有する接着剤を用いた接着等の手法により接合することができる。なお、図４に示す冷却管１４０の形状等は一例であり、図示の例に限定されない。

冷却管（流路）１４０は、内部に冷却水Ｗが流通するパイプ状の部材である。冷却管１４０は、例えば、銅等の熱伝導性の高い材料により形成される。図４に示すように、冷却管１４０の入口部１４１には、冷却装置２０（図１参照）から供給された冷却水Ｗ又は上流側のモータ駆動装置１０（ヒートシンク１２０）から排出された冷却水Ｗが流入する。冷却管１４０に流入した冷却水Ｗは、冷却管１４０の内部を流通しながら、主にパワー半導体素子１１１が設けられた位置において、冷却面Ｆの熱を吸収（熱交換）する。冷却管１４０の内部を流通した冷却水Ｗは、出口部１４２から排出され、下流側のモータ駆動装置１０（ヒートシンク１２０）又は冷却装置２０に送られる。なお、図４等に示す冷却水Ｗの流通方向は一例であり、図示の例に限定されない。

図５に示すように、３台のモータ駆動装置１０の各ヒートシンクアッセンブリ１００は、隣接する他のヒートシンクアッセンブリ１００と互いに連通するように接続されている。図５では、ヒートシンクアッセンブリ１００の識別を容易にするため、冷却水Ｗの供給側（上流側）から排出側（下流側）に向かって、ヒートシンクアッセンブリ１００の符号を、ヒートシンクアッセンブリ１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃと記載している。

図５に示すように、ヒートシンクアッセンブリ１００Ａの冷却管１４０の出口部１４２と、ヒートシンクアッセンブリ１００Ｂの冷却管１４０の入口部１４１との間、及び、ヒートシンクアッセンブリ１００Ｂの冷却管１４０の出口部１４２と、ヒートシンクアッセンブリ１００Ｃの冷却管１４０の入口部１４１との間は、それぞれＵ字形配管１５０と配管アダプタ１６０により接続されている。

このように、本実施形態のモータ駆動ユニット１１において、３台のモータ駆動装置１０のそれぞれの冷却管１４０は、Ｕ字形配管１５０と配管アダプタ１６０によって、隣接する他のモータ駆動装置１０の冷却管１４０と互いに連通するように接続されている。
また、冷却管１４０の入口部１４１と冷却水配管２１との間、及び、冷却管１４０の出口部１４２と冷却水配管２２との間は、それぞれ配管アダプタ１６０により接続されている。
なお、図５に示す構成において、ヒートシンクアッセンブリ１００Ａ、１００Ｂ及び１００Ｃの側面が互いに接触するような構成としてもよい。このような構成とすることにより、Ｕ字形配管１５０の長さをより短くできる。

上記構成において、冷却装置２０（図１参照）から冷却水配管２１を介して供給される冷却水Ｗは、ヒートシンクアッセンブリ１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃの順に各冷却管１４０の内部を流通しながら、各ヒートシンクアッセンブリ１００に実装されたパワー半導体素子１１１（図３参照）の熱を吸収する。ヒートシンクアッセンブリ１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃの順に流通した冷却水Ｗは、冷却水配管２２を介して冷却装置２０に戻される。冷却装置２０へ戻された冷却水Ｗは、熱交換器（不図示）により熱が吸収されて冷却され、再び冷却水配管２１を介してヒートシンクアッセンブリ１００Ａ～１００Ｃに供給される。

次に、モータ駆動システム１において、モータ駆動装置１０の駆動電流制限レベルを調整する制御について説明する。
図６は、モータ駆動装置１０の駆動電流制限レベルを調整する制御の処理手順を示すフローチャートである。図６に示す制御は、定期的又は所定のタイミングで実施される。

図６に示すステップＳ１０１において、流量センサ３０により冷却装置２０からモータ駆動ユニット１１に供給される冷却水Ｗの流量を検出する。
ステップＳ１０２において、放熱能力算出部４０は、流量センサ３０で検出された冷却水Ｗの流量に基づいて、３台のモータ駆動装置１０の合計の放熱能力（熱量）を算出する。
ステップＳ１０３において、駆動電流制御部５０は、放熱能力算出部４０で算出された放熱能力に基づいて、モータ駆動ユニット１１を構成する各モータ駆動装置１０の駆動電流制限レベルを調整する。これにより、各モータ駆動装置１０は、同一の駆動電流制限レベルに設定される。

上述した本実施形態のモータ駆動システム１によれば、例えば、以下のような効果を奏する。
本実施形態のモータ駆動ユニット１１において、各モータ駆動装置１０の冷却管（流路）１４０は、隣接する他のモータ駆動装置１０の冷却管１４０と互いに連通するように接続される。これによれば、冷却装置２０から各モータ駆動装置１０に冷却水Ｗを流通させるための配管を個別に設ける従来の構成に比べて、配管数、配管長さを削減できるため、システム構成の簡素化及びコストの低減を図ることができる。

本実施形態のモータ駆動システム１によれば、冷却装置２０の仕様を適切に選定することにより、モータ駆動装置１０の冷却能力を制御できる。例えば、放熱能力（最大値）が１００℃で５０ｋＷのモータ駆動装置１０の場合、冷却装置２０からは、この放熱能力に見合った流量又は温度の冷却水Ｗが供給される。このシステムにおいて、モータ駆動装置１０を５０℃で５０ｋＷの放熱能力で運転する場合、２倍の流量又は１／２の温度の冷却水Ｗを供給可能な冷却装置２０を選定すれば、同じモータ駆動装置１０を、実質的に５０℃で５０ｋＷの放熱能力で運転することができる。モータ駆動システム１が複数のモータ駆動装置１０を備える場合には、複数のモータ駆動装置１０の合計の放熱能力に基づいて冷却装置２０を選定すればよい。

本実施形態のモータ駆動システム１によれば、放熱能力算出部４０において、モータ駆動ユニット１１に供給される冷却水Ｗの流量に基づいて、３台のモータ駆動装置１０の合計の放熱能力が算出される。そして、駆動電流制御部５０において、放熱能力算出部４０で算出された放熱能力に基づいて、モータ駆動ユニット１１を構成する各モータ駆動装置１０の駆動電流制限レベルが調整される。これによれば、例えば、冷却装置２０の放熱能力が１０ｋＷ、モータ駆動装置１０の放熱能力（最大値）が５０ｋＷである場合、各モータ駆動装置１０の駆動電流制限レベルが、放熱能力１０ｋＷに相当する駆動電流となるように調整される。これにより、モータ駆動装置１０の放熱能力が最大で５０ｋＷであっても、モータ駆動装置１０からモータＭに対して、放熱能力１０ｋＷに相当する駆動電流が出力される。すなわち、モータ駆動装置１０からは、冷却装置２０の放熱能力を超えないレベルの駆動電流がモータＭに出力される。したがって、本実施形態のモータ駆動システム１によれば、設置されている冷却装置２０の放熱能力に応じた運転が可能となる。

（変形形態）
実施形態のモータ駆動システム１において、ヒートシンク本体１３０（図２参照）の温度を検出する温度センサ（温度検出部）を設けた構成としてもよい。本構成において、モータ駆動装置１０からモータＭに規定の駆動電流を出力し、その場合のヒートシンク本体１３０の温度を温度センサで検出する。そして、放熱能力算出部４０において、温度センサで検出されたヒートシンク本体１３０の温度に基づいて放熱能力を算出するようにしてもよい。

実施形態では、ヒートシンクアッセンブリ１００Ａ、１００Ｂ及び１００Ｃを平面的に隣接するように配置した例について説明したが、ヒートシンクアッセンブリ１００Ａ、１００Ｂ及び１００Ｃは、厚さ方向に並べて配置してもよい。
実施形態では、冷却媒体を冷却水とした例について説明したが、冷却媒体は、水以外の液体、例えば、油、不凍液等でもよいし、窒素等の気体でもよい。
実施形態のヒートシンク本体１３０（液冷）に、ファンモータによる空冷を組み合わせた構成としてもよい。

１：モータ駆動システム、１０：モータ駆動装置、１１：モータ駆動ユニット、２０：冷却装置、３０：流量センサ、４０：放熱能力算出部、５０：駆動電流制御部、１００：ヒートシンクアッセンブリ、１１０：パワー半導体モジュール、１１１：パワー半導体素子、１２０：ヒートシンク、１３０：ヒートシンク本体、１４０：冷却管

Claims (6)

1. モータを駆動する複数のモータ駆動装置と、
   前記モータ駆動装置に冷却媒体を循環させることにより冷却する冷却装置と、を備え、
   前記モータ駆動装置は、
   発熱部品と、
   前記発熱部品を冷却する放熱器と、
   前記放熱器に接続され、内部に冷却媒体が流通する流路と、を備え、
   複数の前記モータ駆動装置の各々の前記流路は、隣接する前記モータ駆動装置の前記流路と互いに連通するように接続され、
   複数の前記モータ駆動装置は、隣接する前記放熱器の側面が互いに接触するように配置される、モータ駆動システム。
2. 前記放熱器は、第１冷却板及び第２冷却板を備え、前記第１冷却板と前記第２冷却板との間に前記流路が設けられる、請求項１に記載のモータ駆動システム。
3. モータを駆動する複数のモータ駆動装置と、
   前記モータ駆動装置に冷却媒体を循環させることにより冷却する冷却装置と、を備え、
   前記モータ駆動装置は、
   発熱部品と、
   前記発熱部品を冷却する放熱器と、
   前記放熱器に接続され、内部に冷却媒体が流通する流路と、を備え、
   複数の前記モータ駆動装置の各々の前記流路は、隣接する前記モータ駆動装置の前記流路と互いに連通するように接続され、
   前記放熱器の放熱能力を算出する放熱能力算出部と、
   前記放熱能力算出部が算出した放熱能力に基づいて、前記モータ駆動装置の駆動電流制限レベルを調整する駆動電流制御部と、を更に備える、モータ駆動システム。
4. 前記放熱器の放熱能力を算出する放熱能力算出部と、
   前記放熱能力算出部が算出した放熱能力に基づいて、前記モータ駆動装置の駆動電流制限レベルを調整する駆動電流制御部と、
   を備える、請求項１又は２に記載のモータ駆動システム。
5. 冷却媒体の流量を検出する流量検出部を備え、
   前記放熱能力算出部は、前記流量検出部で検出される冷却媒体の流量に基づいて放熱能力を算出する、請求項３又は４に記載のモータ駆動システム。
6. 前記放熱器の温度を検出する温度検出部を備え、
   前記放熱能力算出部は、モータに規定の駆動電流を出力した場合に前記温度検出部で検出された前記放熱器の温度に基づいて放熱能力を算出する、請求項３又は４に記載のモータ駆動システム。

Images