JPWO2019130442A1 - モータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

制御盤に設けられ、複数のモータを駆動するモータ駆動装置（１）であって、モータ駆動装置（１）は、第１の板面（２ａ）と第２の板面（２ｂ）とを有する板状のフィンベース（２ｃ）と、板面に垂直な第１の法線が第１の板面（２ａ）に垂直な第２の法線と交差するように設けられ、第１の板面（２ａ）に熱的に接続される板状の放熱器（３）とを備える。モータ駆動装置（１）は、放熱器（３）と熱的に接続され、第１のモータを駆動する半導体素子（７Ａ）と、第１の板面（２ａ）と熱的に接続され、第２のモータを駆動する半導体素子と、フィンベース（２ｃ）の第１の板面（２ａ）側とは逆側の第２の板面（２ｂ）と熱的に接続され、制御盤に形成される風路に設けられるフィン（２ｄ）とを備えることを特徴とする。

Description

本発明は、制御盤に設けられ、複数のモータを駆動するモータ駆動装置に関する。

マシニングセンタ、ＮＣ旋盤、レ−ザ加工機、放電加工機などの工作機械を制御する制御盤には、数値制御装置、機械側制御回路、モータ駆動装置などが設けられている。モータ駆動装置は工作機械に設けられるモータに電力を供給する半導体素子を備え、半導体素子がスイッチング動作することにより、モータへ電力が供給されてモータが動作する。半導体素子はスイッチング動作時にスイッチング損失及び導通損失が生じるため、これらの損失によって半導体素子の温度が上昇する。半導体素子の温度が許容温度を超えると、半導体素子の寿命が短くなる可能性があり、又は半導体素子が破損する可能性がある。そのため、モータ駆動装置は、半導体素子の温度を許容温度以内に収めるため、放熱器、放熱用ファンなどの冷却機構を備える。

モータ駆動装置を用いて複数のモータを駆動する場合、複数のモータのそれぞれを駆動する半導体素子をモータ駆動装置に設ける必要がある。すなわち、１つのモータ駆動装置に複数の半導体素子が設けられる。この場合、複数の半導体素子が熱源となるため、それぞれの半導体素子の冷却対策が必要になる。このように複数のモータを駆動するモータ駆動装置は、複数の半導体素子を備えると共に複数の冷却機構を備えるが、冷却機構の数が増加するため、１台のモータのみ駆動する構造のモータ駆動装置に比べて、冷却機構を含むモータ駆動装置全体の寸法が大きくなる。

特許文献１には、１つの放熱器を用いて複数の半導体素子を冷却する技術が開示されている。特許文献１のモータ駆動装置は、第１の伝熱面と第１の伝熱面に隣接する第２の伝熱面とを有する放熱器と、第１の伝熱面に設けられる半導体素子を搭載した基板と、第２の伝熱面に設けられる半導体素子を搭載した基板とを備える。放熱器に設けられる第１の伝熱面及び第２の伝熱面のそれぞれに半導体素子が接しているため、特許文献１のモータ駆動装置では、１つの放熱器を用いて複数の半導体素子を冷却することができる。

特開２０１４−１３８４４２号公報

制御盤の内部には仕切板が設けられており、この仕切板によって制御盤の内部には、換気空間と防塵空間とが形成される。換気空間は、オイルミスト、粉塵などの微粒子を含む冷却空気が通過する空間である。防塵空間は、換気空間からの微粒子の浸入を防ぐことができる空間である。このように構成される制御盤に特許文献１のモータ駆動装置を設置する場合、特許文献１のモータ駆動装置では、放熱器の２つの伝熱面に半導体素子が設けられているため、換気空間には、放熱器だけでなく半導体素子及び基板を設置する必要がある。

このように半導体素子及び基板が換気空間へ設置されると、微粒子が半導体素子、基板上に設けられる回路などに付着するため、絶縁不良、腐食などを生じて、モータ駆動装置が故障する可能性がある。そのため、特許文献１のモータ駆動装置は、半導体素子及び基板への微粒子の付着を防ぐ措置として、半導体素子及び基板に特殊なコーティングを施し、又は放熱器と基板との間の隙間に微粒子が浸入することを防止する防塵用部材を追加するといった対策が必要になる。その結果、モータ駆動装置の構造が複雑になり、また半導体素子及び基板の保守性が低下するという課題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、複数のモータを駆動する構成において小型化を図りながら構造を簡素化できるモータ駆動装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のモータ駆動装置は、制御盤に設けられ、複数のモータを駆動するモータ駆動装置であって、第１の板面と第１の板面の裏面となる第２の板面とを有する板状の第１の放熱部を備える。モータ駆動装置は、第３の板面を有し、第３の板面に垂直な第１の法線が第１の板面に垂直な第２の法線と交差するように設けられ、第１の板面に熱的に接続される板状の第２の放熱部と、第２の放熱部と熱的に接続され、第１のモータを駆動する第１の発熱素子とを備える。モータ駆動装置は、第１の板面と熱的に接続され、第２のモータを駆動する第２の発熱素子と、第２の板面と熱的に接続される第３の放熱部とを備えることを特徴とする。

本発明に係るモータ駆動装置は、複数のモータを駆動する構成において小型化を図りながら構造を簡素化できるという効果を奏する。

本発明の実施の形態に係るモータ駆動装置の第１の斜視図 本発明の実施の形態に係るモータ駆動装置の第２の斜視図 図１に示すモータ駆動装置の分解斜視図 図１に示す筐体及び放熱器を筐体及び放熱器の下側から見た図 図１に示すモータ駆動装置の熱伝導モデルを示す図 図１に示すモータ駆動装置が取り付けられた制御盤を内観視した図 図６に示す取り付け部材を介して仕切板に設置されたモータ駆動装置の外観斜視図

以下に、本発明の実施の形態に係るモータ駆動装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は本発明の実施の形態に係るモータ駆動装置の第１の斜視図である。図２は本発明の実施の形態に係るモータ駆動装置の第２の斜視図である。図３は図１に示すモータ駆動装置の分解斜視図である。図４は図１に示す筐体及び放熱器を筐体及び放熱器の下側から見た図である。モータ駆動装置１は、マシニングセンタ、ＮＣ旋盤、レ−ザ加工機、放電加工機などの工作機械に設けられる複数のモータを駆動するための装置である。なお、本実施の形態では、４つのモータを駆動するモータ駆動装置１の構成例について説明するが、モータの数は２つ以上であればよく、２つに限定されるものではない。

モータ駆動装置１は、筐体１０と、筐体１０内に設けられ、回路が設けられる基板５と、基板５に設けられ、第１のモータに電力を供給するための回路を構成する複数の半導体素子７Ａ，７Ｂ，７Ｃとを備える。以下では複数の半導体素子７Ａ，７Ｂ，７Ｃを単に「半導体素子７」と称する場合がある。複数の半導体素子７Ａ，７Ｂ，７Ｃは、例えば、数値制御装置に設けられる送り軸３軸を駆動する３つのサーボモータを駆動するための半導体素子群に相当する。また第１のモータは、例えば、これらのサーボモータの内の１つのモータに相当する。

またモータ駆動装置１は、筐体１０内に設けられ、複数の半導体素子７Ａ，７Ｂ，７Ｃが機械的及び熱的に接続される放熱器３と、筐体１０内に設けられ、第２のモータに電力を供給する回路が設けられる基板４とを備える。またモータ駆動装置１は、基板４に設けられ、第２のモータに電力を供給するための回路を構成する複数の半導体素子６Ａ，６Ｂを備える。第２のモータは、例えば、数値制御装置に設けられる主軸を駆動するモータに相当する。また、半導体素子６Ａは、当該主軸を駆動するモータを駆動するための半導体素子に相当する。半導体素子６Ｂは、例えば、複数の半導体素子７Ａ，７Ｂ，７Ｃと半導体素子６Ａとに直流電力を供給する整流器用の半導体素子に相当する。以下では、複数の半導体素子６Ａ，６Ｂを単に「半導体素子６」と称する場合がある。

またモータ駆動装置１は、放熱器３及び半導体素子６が機械的及び熱的に接続される放熱器２と、放熱器２を強制風冷するためのファン９と、基板５上の回路と基板４上の回路とを電気的に接続する接続部材８とを備える。

図１では、左手系のＸＹＺ座標において、基板５、放熱器３及び基板４の配列方向をＺ軸方向とし、Ｚ軸方向に直交する方向の内、放熱器２及び基板４の配列方向をＹ軸方向とし、Ｚ軸方向とＹ軸方向の両者に直交する方向をＸ軸方向とする。Ｘ軸方向は、モータ駆動装置１の縦幅方向に等しく、また鉛直方向に等しい。Ｙ軸方向は、モータ駆動装置１の奥行き方向に等しく、また水平方向に等しい。Ｚ軸方向は、モータ駆動装置１の横幅方向に等しく、また水平方向に等しい。上記の各軸方向は、図２以降の各図においても同様とする。

筐体１０は、直角に交わる５つの板で構成される。筐体１０は、５つの板がすべて直角に交わる有底箱形の５面体である。５つの板の内、Ｘ軸方向の一方の板が天井板１０ａであり、Ｘ軸方向の他方の板が底板１０ｂであり、Ｙ軸方向の板が正面板１０ｃであり、Ｚ軸方向の一方の板が側面板１０ｄであり、Ｚ軸方向の他方の板が側面板１０ｅである。

筐体１０の材料には、銅合金、鋳鉄、鋼、鉄合金、アルミニウム合金、オーステナイト系ステンレス合金などの金属を例示できる。なお、筐体１０の材料は、金属に限定されず、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンサルファイド又は液晶ポリマーといった絶縁性の樹脂でもよい。

筐体１０の外郭形状は、縦幅寸法が横幅寸法よりも長い直方体形状に限定されず、例えば、縦幅寸法が横幅寸法よりも短い直方体形状でもよいし、縦幅寸法が横幅寸法と等しい直方体形状でもよい。

筐体１０は、放熱器２のフィンベース２ｃに固定される。フィンベース２ｃは第１の放熱部である。筐体１０は、フィンベース２ｃにねじ込まれるねじを用いてフィンベース２ｃに固定してもよいし、フィンベース２ｃへの筐体１０の接触部に溶接を施すことによってフィンベース２ｃに固定してもよい。放熱器２の構成の詳細は後述する。

筐体１０の内部には、側面板１０ｄから側面板１０ｅに向かって、基板５、半導体素子７及び放熱器３がこの順で配列される。また筐体１０の内部には、フィンベース２ｃから正面板１０ｃに向かって、半導体素子６及び基板４がこの順で配列される。

基板５は、第１のモータを駆動するために必要な回路が設けられるプリント基板である。基板５は、ＹＺ平面をＸ軸方向に見たとき、基板５の基板面に垂直な法線ｎ５が、フィンベース２ｃの第１の板面２ａに垂直な法線ｎ２と直交するように設けられる。なお、法線ｎ５と法線ｎ２とは直交に限定されず、交差していればよい。

また、基板５は、側面板１０ｄ側の基板面が側面板１０ｄと平行になるように、側面板１０ｄ寄りに設けられる。基板５の側面板１０ｄ側の基板面と側面板１０ｄとの間には隙間が形成される。なお、「平行」は、モータ駆動装置１を構成する各部品の製造上の公差、当該各部品の組立て上のばらつきなどを考慮した範囲を含むものとする。

基板５の側面板１０ｄ側とは逆側の基板面には、半導体素子７が設けられる。基板５には、配線パターンである銅箔が形成されており、半導体素子７は、銅箔と電気的に接続されている。

複数の半導体素子７Ａ，７Ｂ，７Ｃのそれぞれは、例えば半導体で構成されるパワーモジュールである。パワーモジュールは、複数のパワー素子と、複数のパワー素子の外部を覆う絶縁樹脂で形成されるパッケージとにより構成される。パワー素子は、トランジスタ及びダイオードである。パワーモジュールの種類としては、インバータモジュール、コンバータモジュールなどである。

半導体素子７が備える制御ピンが半田付けによって基板５上の配線パターンへ接続され、又は当該制御ピンがコネクタを介して基板５上の配線パターンへ接続される。制御ピンと配線パターンとの間では、例えばスイッチング素子をスイッチング動作させる信号と、スイッチング素子からモータへ供給される電力とが伝送される。

複数の半導体素子７Ａ，７Ｂ，７Ｃは、Ｘ軸方向に互いに離れて配列される。半導体素子７の基板５側とは逆側の端面は、放熱器３の基板５側の板面３ａに接している。これにより、半導体素子７が放熱器３と熱的に接続される。なお、板面３ａは、半導体素子７で発生した熱を受ける受熱面である。

半導体素子７は、例えば、基板５と半導体素子７とを貫通して放熱器３にねじ込まれるねじを用いて、放熱器３に固定される。

なお、放熱器３への半導体素子７の固定方法は、放熱器３へ半導体素子７を熱的に接続できればよく、これらに限定されない。また、半導体素子７の数は、１つ以上であればよく、３つに限定されない。例えば複数の半導体素子７Ａ，７Ｂ，７Ｃの内、半導体素子７Ａのみ用いる場合、半導体素子７Ａは第１の発熱素子である。

放熱器３は、４つの内角のそれぞれの大きさが直角に等しい正方形状又は長方形状の板状の第２の放熱部である。放熱器３の材料には、アルミニウム、オーステナイト系ステンレス合金、銅合金、鋳鉄、鋼、鉄合金などの金属を例示できる。放熱器３は、例えば、フィンベース２ｃ及び放熱器３にねじ込まれるねじを用いてフィンベース２ｃに固定してもよいし、フィンベース２ｃへの放熱器３の接触部に溶接を施すことによって、フィンベース２ｃに固定してもよい。

放熱器３は、ＹＺ平面をＸ軸方向に見たとき、放熱器３の基板５側とは逆側の第３の板面に垂直な法線ｎ３が、フィンベース２ｃの第１の板面２ａに垂直な法線ｎ２と直交するように設けられる。法線ｎ３は、第１の法線である。法線ｎ２は、第２の法線である。なお、法線ｎ３と法線ｎ２とは直交に限定されず、交差していればよい。

放熱器３がフィンベース２ｃに固定されることによって、放熱器３がフィンベース２ｃと機械的及び熱的に接続される。また放熱器３がフィンベース２ｃに固定されることによって、基板５及び半導体素子７が放熱器３を介してフィンベース２ｃへ固定されると共に、半導体素子７がフィンベース２ｃと熱的に接続される。

なお、放熱器３は板状部材に限定されず、例えば長方形状の板状部材であるフィンベースと、当該フィンベースに設けられる複数のフィンとを組み合わせたものでもよい。また、放熱器３は、ダイカストにより当該フィンベース及びフィンを、一体成型で製造したものでもよいし、削り出しにより成形されたものでもよい。

基板４は、第２のモータを駆動するために必要な回路が設けられるプリント基板である。基板４は、ＹＺ平面をＸ軸方向に見たとき、基板４の基板面に垂直な法線ｎ４が、基板５の基板面に垂直な法線ｎ５と直交するように設けられる。なお、法線ｎ４と法線ｎ５とは直交に限定されず、交差していればよい。

また基板４は、基板４の基板面に垂直な法線ｎ４が、フィンベース２ｃの第１の板面２ａに垂直な法線２ｎと平行になるように、フィンベース２ｃ寄りに設けられる。基板４のフィンベース２ｃ側の基板面とフィンベース２ｃとの間に隙間が形成される。

基板４のフィンベース２ｃ側の基板面には、半導体素子６が設けられる。基板４には、配線パターンである銅箔が形成されており、半導体素子６は、銅箔と電気的に接続されている。

基板４は、基板４とフィンベース２ｃとの間に設けられる柱状部材と、この柱状部材へねじ込まれるねじとを用いて、フィンベース２ｃに固定してもよいし、基板４と半導体素子６とを貫通してフィンベース２ｃにねじ込まれるねじを用いて、フィンベース２ｃに固定してもよい。

複数の半導体素子６Ａ，６Ｂのそれぞれは、第２のモータを駆動する際に発熱する部品であり、例えば、半導体で構成されるパワーモジュール、昇圧トランス、リアクトル、抵抗体などである。なお、半導体素子６は、放熱器２によって冷却を要する部品であればよく、これらに限定されない。

半導体素子６が備える制御ピンが半田付けによって基板４上の配線パターンへ接続され、又は当該制御ピンがコネクタを介して基板４上の配線パターンへ接続される。制御ピンと配線パターンとの間では、例えばスイッチング素子をスイッチング動作させる信号と、スイッチング素子からモータへ供給される電力とが伝送される。

複数の半導体素子６Ａ，６Ｂは、Ｘ軸方向に互いに離れて配列される。半導体素子６の基板４側とは逆側の端面は、フィンベース２ｃに接している。これにより、半導体素子６が放熱器２と熱的に接続される。

なお、フィンベース２ｃへの半導体素子６の固定方法は、フィンベース２ｃへ半導体素子６を熱的に接続できればよく、これらに限定されない。また、半導体素子６の数は、１つ以上であればよく、２つに限定されない。例えば複数の半導体素子６Ａ，６Ｂの内の半導体素子６Ａのみ用いる場合、半導体素子６Ａは第２の発熱素子である。

次に放熱器２の構造を説明する。放熱器２は、長方形状の板状部材であるフィンベース２ｃと、フィンベース２ｃに設けられる第３の放熱部であるフィン２ｄとを備える。なお、放熱器２は、ダイカストによりフィンベース２ｃ及びフィン２ｄを一体成型で製造したものでもよいし、削り出しにより成形されたものでもよい。

放熱器２の材料には、アルミニウム、オーステナイト系ステンレス合金、銅合金、鋳鉄、鋼、鉄合金などの金属を例示できる。

フィンベース２ｃの形状は、長方形状に限定されず、正方形状でもよい。またフィンベース２ｃは、筐体１０に形成される開口部を閉塞できる大きさの板状部材であればよく、その形状は、四角形状以外の多角形状でもよい。

フィンベース２ｃは、フィンベース２ｃの筐体１０側の第１の板面２ａと、フィンベース２ｃの第２の板面２ｂとを有する。第２の板面２ｂは、第１の板面２ａの裏面である。

フィンベース２ｃの第１の板面２ａは、半導体素子６から発生する熱を受けると共に、半導体素子７から発生する熱を受ける受熱面である。フィンベース２ｃの第１の板面２ａには、放熱器３と半導体素子６とが機械的及び熱的に接続される。図３において、第１の板面２ａに点線で示される領域２Ｂは、Ｙ軸方向の放熱器３のフィンベース２ｃ側の端部が接する部分である。

なお、フィンベース２ｃに機械的な反りが生じた場合、フィンベース２ｃの第１の板面２ａに凹凸が存在する場合、又は、放熱器３のフィンベース２ｃ側の端部に凹凸が存在する場合、放熱器３とフィンベース２ｃとの間に空気層が生じる。すなわち、半導体素子７で発生した熱の伝導経路中に空気層が生じる。そのため、この空気層により、接触熱抵抗が増加し、半導体素子７の冷却効果が低下する。

このような接触熱抵抗の増加を抑制するため、放熱器３とフィンベース２ｃとの間にサーマルグリスを塗布してもよいし、放熱器３とフィンベース２ｃとの間に伝熱部材を設けてもよい。当該伝熱部材は、例えば絶縁性及び高熱伝導性を有するシートである。具体的には、伝熱部材は、絶縁性のシートに、熱伝導性の高い粒子、又はフィンベース２ｃの材料よりも熱伝導率が高い粉体を混合させることにより、製造された部材である。絶縁性のシートの材料には、シリコーンゴム、ポリイソブチレンゴム又はアクリルゴムを例示できる。熱伝導性の高い粒子又は熱伝導性の高い粉体の材料には、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、シリカ又はマイカを例示できる。

放熱器３とフィンベース２ｃの間にサーマルグリスを塗布し、又は伝熱部材を設けることによって、接触熱抵抗の増加が抑制され、放熱器２による半導体素子７の冷却効果が向上する。

また、放熱器３は放熱器２のフィンベース２ｃに溶接で接続してもよい。溶接で接続することにより、溶接で接続していない場合に比べて、放熱器３と放熱器２との間の接触熱抵抗が小さくなり、半導体素子７の冷却効果が向上する。

なお、基板５及び放熱器３は、フィンベース２ｃの第１の板面２ａに対して直角に設けられているが、フィンベース２ｃを基板４に向かって投影してなる領域内に設けられていればよく、フィンベース２ｃの第１の板面２ａに対して直角から僅かに異なる角度で設けられていてもよい。例えば、フィンベース２ｃの第１の板面２ａと基板５の基板面とが成す角度は、９０°以外の角度、例えば８０°から１００°までの範囲の角度でもよい。同様に、フィンベース２ｃの第１の板面２ａと放熱器３の板面とが成す角度は、９０°以外の角度、例えば８０°から１００°までの範囲の角度でもよい。

フィンベース２ｃの第２の板面２ｂは、フィンベース２ｃの熱をフィン２ｄへ伝える伝熱面である。フィンベース２ｃの第２の板面２ｂには、フィン２ｄが機械的及び熱的に接続される。なお、フィン２ｄは、放熱器２の放熱面積を広くできる形状のものであればよく、例えば、Ｚ軸方向に互いに離間して配列される複数の板状部材で構成したものでもよいし、外周面に凹凸形状の加工が施された四角形状の部材でもよい。

フィン２ｄの上側にはファン９が設けられる。ファン９は、フィンベース２ｃを強制風冷するための送風機構であり、フィン２ｄのみ用いて半導体素子７及び半導体素子６の温度上昇を抑制できる場合、不要である。

フィン２ｄ及びファン９は、フィンベース２ｃをフィン２ｄ及びファン９に向かって投影してなる領域内に設けられる。これにより、フィンベース２ｃを制御盤の仕切板に固定することができる。制御盤の仕切板へのフィンベース２ｃの固定方法の詳細は後述する。

接続部材８は、コネクタ、ハーネス、端子台などであり、基板４の配線パターンへ基板５の配線パターンを電気的に接続する。接続部材８には、基板４上の回路と基板５上の回路との間で送受信される信号が伝送される。

このように構成されるモータ駆動装置１では、基板４、基板５、半導体素子６及び半導体素子７が、筐体１０とフィンベース２ｃとによって囲まれる空間内に設置され、フィン２ｄが当該空間の外部に設置される。以下では、当該空間の内部を筐体内部、当該空間の外部を筐体外部と称する。なお、図１から４では、２つの基板４，５がモータ駆動装置１に用いられているが、２つの基板４，５が含まれれば、基板の数は３以上でもよい。

次にモータ駆動装置１で発生する熱が伝わる経路を説明する。半導体素子６及び半導体素子７で発生した熱と、基板５及び基板４のそれぞれに設けられる回路で発生した熱によって、筐体内部の温度は、筐体外部の温度よりも高くなる。熱は温度が高いところから温度が低いところへ移動するため、高温になった半導体素子などの温度を低減させるには、筐体内部の熱を筐体外部に放射させる必要がある。

放熱器２のフィンベース２ｃに接する半導体素子６で発生した熱は、フィンベース２ｃを介して、フィン２ｄに伝わり、フィン２ｄから筐体外部に放射される。放熱器３に接する半導体素子７で発生した熱は、放熱器３及びフィンベース２ｃを介して、フィン２ｄに伝わり、フィン２ｄから筐体外部に放射される。

半導体素子６で発生した熱は放熱器２に伝わるため、半導体素子６で発生した熱の一部が放熱器２を介して放熱器３に伝わる。従って、放熱器３の温度は、半導体素子７からの熱だけが伝わる場合に比べて高くなる。このように高温になった放熱器３の熱は、半導体素子７に伝わるため、半導体素子７の温度は、半導体素子６で熱が発生しない場合に比べて、高くなる。このような半導体素子７の温度上昇を抑制するためには、放熱器２の熱容量を大きくすることによって、放熱器３から放熱器２への熱伝達量を高める方法が考えられる。

なお、半導体素子６及び半導体素子７が複数のパワー素子を含むパワーモジュールである場合、熱の伝達経路は、パワー素子、パワーモジュールのパッケージ表面、放熱器、筐体外部の順となるが、本実施の形態では、パワー素子からパワーモジュールのパッケージ表面に伝わった熱を、半導体素子６及び半導体素子７で発生した熱として扱う。従って、本実施の形態では、半導体素子６及び半導体素子７が複数のパワー素子を含むパワーモジュールである場合の熱の伝達経路が、半導体素子６、放熱器、筐体外部の順と、半導体素子７、放熱器、筐体外部の順とであるものとして説明する。

ここで、半導体素子６及び半導体素子７で発生する電力損失を電流に置き換え、熱抵抗を電気抵抗に置き換え、温度差を電位差に置き換えると、半導体素子の熱の流れは、電気回路のオームの法則を用いて説明することができる。熱抵抗は、温度の伝え難さを表す値であり、単位時間における発熱量当たりの温度上昇量を意味している。熱抵抗が小さいほど放熱性が良く、熱抵抗の単位は「℃／Ｗ」である。

図５は図１に示すモータ駆動装置の熱伝導モデルを示す図である。図５に示す熱伝導モデルでは、熱の発生源である各半導体素子が電力損失源とみなされている。具体的には、図５では、半導体素子６Ａが電力損失源６０Ａ、半導体素子６Ｂが電力損失源６０Ｂ、半導体素子７Ａが電力損失源７０Ａ、半導体素子７Ｂが電力損失源７０Ｂ、半導体素子７Ｃが電力損失源７０Ｃとみなされている。

熱抵抗Ｒ１は、放熱器２と半導体素子６Ａとの間の熱抵抗を表す。熱抵抗Ｒ２は、放熱器２と半導体素子６Ｂとの間の熱抵抗を表す。熱抵抗Ｒ１１は、放熱器３と半導体素子７Ａとの間の熱抵抗を表す。熱抵抗Ｒ１２は、放熱器３と半導体素子７Ｂとの間の熱抵抗を表す。熱抵抗Ｒ１３は、放熱器３と半導体素子７Ｃとの間の熱抵抗を表す。熱抵抗Ｒ２０は、放熱器２と放熱器３との間の熱抵抗を表す。熱抵抗Ｒ３０は、放熱器２と放熱器２の周囲の空気との間の熱抵抗を表す。

電力損失源６０Ａは、熱抵抗Ｒ１の一端に接続される。温度Ｔ６Ａは、この接続点の温度であり、半導体素子６Ａで発生する熱の温度に等しい。電力損失源６０Ｂは、熱抵抗Ｒ２の一端に接続される。温度Ｔ６Ｂは、この接続点の温度であり、半導体素子６Ｂで発生する熱の温度に等しい。電力損失源７０Ａは、熱抵抗Ｒ１１の一端に接続される。温度Ｔ７Ａは、この接続点の温度であり、半導体素子７Ａで発生する熱の温度に等しい。電力損失源７０Ｂは、熱抵抗Ｒ１２の一端に接続される。温度Ｔ７Ｂは、この接続点の温度であり、半導体素子７Ｂで発生する熱の温度に等しい。電力損失源７０Ｃは、熱抵抗Ｒ１３の一端に接続される。温度Ｔ７Ｃは、この接続点の温度であり、半導体素子７Ｃで発生する熱の温度に等しい。

熱抵抗Ｒ１１の他端と熱抵抗Ｒ１２の他端と熱抵抗Ｒ１３の他端とは、熱抵抗Ｒ２０の一端に接続される。温度ＴＨ３は、この接続点の温度である。

熱抵抗Ｒ１の他端と熱抵抗Ｒ２の他端と熱抵抗Ｒ２０の他端とは、熱抵抗Ｒ３０の一端に接続される。温度ＴＨ２は、この接続点の温度であり、放熱器２の温度に等しい。

そして、熱抵抗Ｒ３０の他端の温度は、周囲温度Ｔａとして表される。周囲温度Ｔａは、放熱器２の周囲に存在する空気の温度に等しい。

以下では、図５の熱伝導モデルを用いて、放熱器２、放熱器３、半導体素子６Ａ、半導体素子６Ｂ、半導体素子７Ａ、半導体素子７Ｂ及び半導体素子７Ｃのそれぞれの温度を算出する例を説明する。なお、以下では、Ｐ６Ａが半導体素子６Ａで発生した電力損失、Ｐ６Ｂが半導体素子６Ｂで発生した電力損失、Ｐ７Ａが半導体素子７Ａで発生した電力損失、Ｐ７Ｂが半導体素子７Ｂで発生した電力損失、Ｐ７Ｃが半導体素子７Ｃで発生した電力損失を表す。

放熱器２の温度ＴＨ２は、下記（１）式で算出できる。なお、下記（１）式では、周囲温度Ｔａを基準として、放熱器２の温度ＴＨ２が算出される。
ＴＨ２＝（Ｐ６Ａ＋Ｐ６Ｂ＋Ｐ７Ａ＋Ｐ７Ｂ＋Ｐ７Ｃ）×Ｒ３０＋Ｔａ・・・（１）

放熱器３の温度ＴＨ３は、下記（２）式で算出できる。
ＴＨ３＝（Ｐ７Ａ＋Ｐ７Ｂ＋Ｐ７Ｃ）×Ｒ２０＋ＴＨ２・・・（２）

半導体素子６Ａの温度Ｔ６Ａは、下記（３）式で算出できる。
Ｔ６Ａ＝Ｐ６Ａ×Ｒ１＋ＴＨ２・・・（３）

半導体素子６Ｂの温度Ｔ６Ｂは、下記（４）式で算出できる。
Ｔ６Ｂ＝Ｐ６Ｂ×Ｒ２＋ＴＨ２・・・（４）

半導体素子７Ａの温度Ｔ７Ａは、下記（５）式で算出できる。
Ｔ７Ａ＝Ｐ７Ａ×Ｒ１１＋ＴＨ３・・・（５）

半導体素子７Ｂの温度Ｔ７Ｂは、下記（６）式で算出できる。
Ｔ７Ｂ＝Ｐ７Ｂ×Ｒ１２＋ＴＨ３・・・（６）

半導体素子７Ｃの温度Ｔ７Ｃは、下記（７）式で算出できる。
Ｔ７Ｃ＝Ｐ７Ｃ×Ｒ１３＋ＴＨ３・・・（７）

図５と、上記（１）式から（７）式とから分かるように、各部温度は、周囲温度Ｔａ＜放熱器２の温度ＴＨ２＜放熱器３の温度ＴＨ３となり、また半導体素子６の温度は放熱器２の温度ＴＨ２に影響され、半導体素子７の温度は放熱器２の温度ＴＨ２と放熱器３の温度ＴＨ３とに影響される。従って、半導体素子６の温度を低減するためには、放熱器２の温度ＴＨ２を下げる必要があり、半導体素子７の温度を低減するためには、放熱器２の温度ＴＨ２を下げると共に、放熱器３の温度ＴＨ３を下げる必要がある。

例えば、半導体素子６の温度が半導体素子６の許容温度以内となるようにしながら、半導体素子７の温度を低減させたい場合、上記（５）式から（７）式までに示される熱抵抗を低減させることが考えられる。例えば、放熱器３の体積を大きくすることによって放熱器３の熱容量が大きくなるため、これによって相対的に熱抵抗を下げることが可能である。但し、モータ駆動装置１では、放熱器３が筐体１０の内部に設けられているため、筐体１０の内部の機器設置スペースを有効活用する観点から、放熱器３の体積を大きくすることは好ましくない。

そこで、放熱器２の体積、特にフィン２ｄの体積を放熱器３の体積よりも相対的に大きくすることによって、放熱器２の熱容量が大きくなるため、放熱器２の温度ＴＨ２は、放熱器２の体積を大きくする前の放熱器２の温度ＴＨ２よりも低くなる。また放熱器２の温度ＴＨ２と放熱器３の温度ＴＨ３との差は、放熱器２の体積を大きくする前に比べて、小さくなる。そのため、放熱器３の温度ＴＨ３の上昇が抑制され、放熱器３の温度ＴＨ３は、放熱器２の体積を大きくする前の放熱器３の温度ＴＨ３よりも低くなる。従って、放熱器２の体積を大きくする前に比べて、放熱器３から半導体素子７への熱の伝達量が小さくなり、半導体素子７の温度上昇が抑制される。

このように、放熱器２の体積を放熱器３の体積よりも相対的に大きくすることによって、放熱器３の体積を大きくすることなく、半導体素子７の温度上昇を抑制できる。また、筐体１０の内部の機器設置スペースが狭くならないため、筐体１０の内部に設置される機器レイアウトの自由度が増すという効果も得られる。また、放熱器２の体積が大きくなることによって、放熱器２の体積を放熱器３の体積よりも相対的に大きくする前に比べて、半導体素子６から放熱器２への熱の伝達量が増加し、半導体素子６の温度上昇が抑制される。また、半導体素子６及び半導体素子７の温度上昇が抑制されるため、半導体素子６及び半導体素子７がパワーモジュールである場合、パワーモジュール内のパワー素子のジャンクション温度の上昇が抑制され、温度上昇が抑制される分、パワー素子を高速に駆動でき、モータ駆動装置１の高出力化が可能となる。

次に、本実施の形態に係るモータ駆動装置１を、工作機械に搭載されるモータを駆動する装置として利用する場合について説明する。

サーボモータで駆動される送り軸３軸と、主軸とを備えた数値制御装置は、サーボモータ駆動用の３つの半導体素子と、主軸モータ駆動用の１つの半導体素子と、工場電源の交流電力を直流電力に変換してこれら４つの半導体素子に直流電力を供給する１つの整流器用の半導体素子とが必要となる。このように、送り軸３軸と主軸とを備えた数値制御装置は合計で５つの半導体素子が必要となる。

送り軸は、位置決め動作、輪郭加工時の切削送り動作などに利用される。主軸には工具が取り付けられ、主軸は直接ワークの加工に利用される。そのため、主軸には大きな負荷がかかる。また、サーボモータのモータ出力の増加と、主軸モータのモータ出力の増加とに伴い、モータ駆動装置１からモータへ供給される電力が増加するため、これらのモータ出力が大きくなると、整流器用の半導体素子に流れる電流が大きくなる。

前述したように、主軸は直接ワーク加工の加工に利用され、整流器用の半導体素子に流れる電流はモータ出力の増加に伴い増加する。そのため、モータ駆動装置１が数値制御装置に用いられる場合、モータ駆動装置１内の半導体素子には、サーボモータ駆動用の半導体素子に比べて、大きな電流が流れる。従って、主軸モータ駆動用の半導体素子、整流器用の半導体素子などには、電流容量の大きな半導体素子が使用されることが一般的である。

例えば、半導体素子６Ａが主軸モータ駆動用の半導体素子として利用され、半導体素子６Ｂが整流器用の半導体素子として利用され、複数の半導体素子７Ａ，７Ｂ，７Ｃがサーボモータ駆動用半導体素子として利用される場合、主軸モータ駆動用及び整流器用の半導体素子群で発生した熱は、放熱器２によって筐体外部に放射される。また、サーボモータ駆動用の半導体素子群で発生した熱は、放熱器３を介して放熱器２に伝わり、放熱器２によって筐体外部に放射される。

前述したように、筐体１０の内部の機器設置スペースを有効活用する観点から、放熱器３の体積は出来る限り小さくすることが望ましい。主軸モータ駆動用及び整流器用の半導体素子群に比べて、サーボモータ駆動用の半導体素子群で発生する電力損失は小さいため、放熱器３の体積を小さくしても、半導体素子７の温度上昇は小さい。これに対し、主軸モータ駆動用及び整流器用の半導体素子群は、発生する電力損失が大きいため、モータ駆動装置１では、この電力損失に対応するために、放熱器２の体積を大きくすることによって、放熱器２の温度ＴＨ２の上昇が抑制される。これにより、主軸モータ駆動用及び整流器用の半導体素子群の温度上昇が抑制され、さらに放熱器３の温度ＴＨ３の上昇も抑制される。その結果、サーボモータ駆動用の半導体素子の温度上昇も抑制される。

以下ではモータ駆動装置１を制御盤に取り付けた状態を説明する。図６は図１に示すモータ駆動装置が取り付けられた制御盤を内観視した図である。図６には、Ｚ軸方向から制御盤２０を内観視したときの制御盤２０の仕切板２０Ｃと、仕切板２０Ｃに取り付けられるモータ駆動装置１の外観と、制御盤２０の前面板２０Ａと、制御盤２０の後面板２０Ｂとが示される。

仕切板２０Ｃは、制御盤２０の内部空間を、オイルミスト、粉塵などの微粒子を含む冷却空気が通過する風路である換気空間２０１と、換気空間２０１からの微粒子の浸入を防ぐ防塵空間２０２とに仕切るための板状部材である。仕切板２０Ｃは、制御盤２０の天井板から底板まで伸びて、Ｘ軸方向の一端が天井板に固定され、Ｘ軸方向の他端が底板に固定されている。

図７は図６に示す取り付け部材を介して仕切板に設置されたモータ駆動装置の外観斜視図である。仕切板２０Ｃには、仕切板２０Ｃにモータ駆動装置１を固定するための取り付け部材２１が固定されている。

取り付け部材２１は、４つの内角のそれぞれの大きさが直角に等しい正方形状又は長方形状の板状の放熱部材である。取り付け部材２１は、モータ駆動装置１を仕切板２０Ｃに固定できる板状部材であればよく、その形状は正方形状又は長方形状に限定されない。取り付け部材２１の材料には、アルミニウム、オーステナイト系ステンレス合金、銅合金、鋳鉄、鋼、鉄合金などの金属を例示できる。

取り付け部材２１のＸＺ平面の面積は、仕切板２０Ｃに形成される開口部２０Ｃ１の面積よりも広い。また開口部２０Ｃ１は、取り付け部材２１を仕切板２０Ｃに向かって投影してなる領域内に設けられている。

取り付け部材２１は、仕切板２０Ｃ側の板面２１ａが、図６に示す前面板２０Ａ及び後面板２０Ｂと平行になるように、仕切板２０Ｃへ取り付けられる。取り付け部材２１は、仕切板２０Ｃにねじ込まれるねじを用いて仕切板２０Ｃに固定してもよいし、仕切板２０Ｃへの取り付け部材２１の接触部に溶接を施すことによって仕切板２０Ｃに固定してもよい。

図７に示すように、取り付け部材２１には、開口部２１ｂが形成されている。開口部２１ｂの面積は、放熱器２のフィンベース２ｃのＸＺ平面の面積よりも狭く、かつ、放熱器２のフィン２ｄのＸＺ平面の面積よりも広い。また開口部２１ｂは、フィンベース２ｃを取り付け部材２１に向かって投影してなる領域内に設けられている。

モータ駆動装置１の制御盤２０への取り付け手順は以下の通りである。まず取り付け部材２１が仕切板２０Ｃの開口部２０Ｃ１を閉塞するように、仕切板２０Ｃに固定される。次に、モータ駆動装置１のフィン２ｄが取り付け部材２１の開口部２１ｂに挿入され、フィンベース２ｃの第２の板面２ｂが取り付け部材２１に接触するまでモータ駆動装置１がＹ軸方向に押し込まれる。最後に、フィンベース２ｃの第２の板面２ｂが取り付け部材２１に接触した状態で、フィンベース２ｃが取り付け部材２１に固定される。

これにより、モータ駆動装置１の筐体１０は、防塵空間２０２に設けられ、モータ駆動装置１の放熱器２は換気空間２０１に設けられる。また取り付け部材２１の開口部２１ｂがフィンベース２ｃによって閉塞され、換気空間２０１に流れる冷却空気が防塵空間２０２へ浸入することを防止できる。

なお、本実施の形態では、モータ駆動装置１の仕切板２０Ｃへの取り付けに取り付け部材２１が用いられているが、取り付け部材２１を用いずに、例えばフィンベース２ｃのＸＺ平面の面積を広げて、又は仕切板２０Ｃの開口部２０Ｃ１の面積を狭くすることによって、フィンベース２ｃを仕切板２０Ｃに直接固定してもよい。

このように制御盤２０に取り付けられたモータ駆動装置１には、ファン９が設けられているため、ファン９の動作時に、換気空間２０１に風の流れが発生し、オイルミスト、粉塵などの微粒子を含む冷却空気の対流が換気空間２０１に発生する場合がある。

本実施の形態に係るモータ駆動装置１を用いた制御盤２０では、仕切板２０Ｃの開口部２０Ｃ１を塞ぐように設置されるフィンベース２ｃによって、防塵空間２０２が換気空間２０１と分離され、さらにフィンベース２ｃの防塵空間２０２側に半導体素子、基板などが設けられ、フィンベース２ｃの換気空間２０１側に放熱用のフィン２ｄが設けられる。

そのため、半導体素子、基板などへの微粒子の付着を防ぐための特殊なコーティングを施すなどの対策が不要となり、モータ駆動装置１の構造を簡素化できる。なお、本実施の形態では、モータ駆動装置１に筐体１０が設けられているが、筐体１０は、例えば制御盤２０に取り付けられたモータ駆動装置１内の半導体素子、基板などに人が触れることがないように設けられるものである。そのため、筐体１０が無くても半導体素子、基板などへ、オイルミスト、粉塵などの微粒子が付着することを防止できる。

また半導体素子、基板などが仕切板２０Ｃの防塵空間２０２側に設置されるため、筐体１０を外すだけで半導体素子、基板などの点検が可能となり、モータ駆動装置１全体を制御盤２０から取り外して点検をする場合に比べて、モータ駆動装置１の保守時間を短縮できる。

なお、本実施の形態では、発熱素子である半導体素子を備えるモータ駆動装置１の構成例を説明したが、モータ駆動装置１が備える発熱素子は、半導体素子に限定されず、モータを駆動する際に発熱する部品であれば、例えば昇圧トランス、リアクトル、抵抗体などの部品でもよい。この場合、モータ駆動装置１は、第１のモータを駆動するための第１の発熱素子と第２のモータを駆動するための第２の発熱素子とを備え、第１の発熱素子は、第２の放熱部である放熱器３と熱的に接続され、第２の発熱素子は、第１の放熱部であるフィンベース２ｃと熱的に接続される。

なお、本実施の形態では、制御盤２０の外郭を構成する筐体の内部にモータ駆動装置１が設けられている構成例を説明したが、モータ駆動装置１の位置は、第３の放熱部であるフィン２ｄを冷却できれば、これに限定されない。例えば、制御盤２０は、制御盤２０の外郭を構成する筐体の内、後面板２０Ｂが取りはずされた状態で、床に設置される場合がある。このように構成された制御盤２０では、図６に示す仕切板２０Ｃが、制御盤２０の外郭を構成する筐体の一部となり、仕切板２０Ｃにモータ駆動装置１が設置されると、制御盤２０の外部にフィン２ｄが設けられる形となる。すなわち、制御盤２０の外部にフィン２ｄが露出する。このように構成しても、発熱素子からフィン２ｄに伝達された熱が制御盤２０の外部に放熱されると共に、防塵空間２０２への塵埃の浸入が抑制される。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ モータ駆動装置、２，３ 放熱器、２Ｂ 領域、２ａ 第１の板面、２ｂ 第２の板面、２ｃ フィンベース、２ｄ フィン、３ａ，２１ａ 板面、４，５ 基板、６，６Ａ，６Ｂ，７，７Ａ，７Ｂ，７Ｃ 半導体素子、８ 接続部材、９ ファン、１０ 筐体、１０ａ 天井板、１０ｂ 底板、１０ｃ 正面板、１０ｄ，１０ｅ 側面板、２０ 制御盤、２０Ａ 前面板、２０Ｂ 後面板、２０Ｃ 仕切板、２０Ｃ１，２１ｂ 開口部、２１ 取り付け部材、２０１ 換気空間、２０２ 防塵空間。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のモータ駆動装置は、制御盤に設けられ、複数のモータを駆動するモータ駆動装置であって、第１の板面と第１の板面の裏面となる第２の板面とを有する板状の第１の放熱部を備える。モータ駆動装置は、第３の板面を有し、第３の板面に垂直な第１の法線が第１の板面に垂直な第２の法線と交差するように設けられ、第１の板面に熱的に接続される板状の第２の放熱部と、第２の放熱部と熱的に接続され、第１のモータを駆動する第１の発熱素子とを備える。モータ駆動装置は、第１の発熱素子が設けられる第１の基板面を有し、第１の基板面に垂直な第３の法線が第２の法線と交差するように設けられる第１の基板と、第１の板面と熱的に接続され、第２のモータを駆動する第２の発熱素子とを備える。モータ駆動装置は、第２の発熱素子が設けられる第２の基板面を有し、第２の基板面に垂直な第４の法線が第３の法線と交差するように設けられる第２の基板と、第２の板面と熱的に接続される第３の放熱部とを備えることを特徴とする。

Claims (6)

1. 制御盤に設けられ、複数のモータを駆動するモータ駆動装置であって、
   第１の板面と前記第１の板面の裏面となる第２の板面とを有する板状の第１の放熱部と、
   第３の板面を有し、前記第３の板面に垂直な第１の法線が前記第１の板面に垂直な第２の法線と交差するように設けられ、前記第１の板面に熱的に接続される板状の第２の放熱部と、
   前記第２の放熱部と熱的に接続され、第１のモータを駆動する第１の発熱素子と、
   前記第１の板面と熱的に接続され、第２のモータを駆動する第２の発熱素子と、
   前記第２の板面と熱的に接続される第３の放熱部と、
   を備えることを特徴とするモータ駆動装置。
2. 前記第１の放熱部と前記第２の放熱部との間に設けられるサーマルグリスを備えることを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
3. 前記第１の放熱部は、前記第２の放熱部へ溶接で接続されていることを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
4. 前記第３の放熱部に風を送るファンを備えることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載のモータ駆動装置。
5. 前記第３の放熱部の体積は、前記第２の放熱部の体積よりも大きいことを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載のモータ駆動装置。
6. 前記第３の放熱部は前記制御盤の外部に露出することを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載のモータ駆動装置。

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