特許 7601647 モータ駆動装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-09

(45)【発行日】2024-12-17

(54)【発明の名称】モータ駆動装置

(51)【国際特許分類】

   H02P 29/00 20160101AFI20241210BHJP

   F04D 29/58 20060101ALI20241210BHJP

【ＦＩ】

H02P29/00

F04D29/58 P

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2021010425

(22)【出願日】2021-01-26

(65)【公開番号】P2022114221

(43)【公開日】2022-08-05

【審査請求日】2023-08-09

(73)【特許権者】

【識別番号】390008235

【氏名又は名称】ファナック株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100123582

【弁理士】

【氏名又は名称】三橋 真二

(74)【代理人】

【識別番号】100112357

【弁理士】

【氏名又は名称】廣瀬 繁樹

(74)【代理人】

【識別番号】100169856

【弁理士】

【氏名又は名称】尾山 栄啓

(72)【発明者】

【氏名】三嶋 大和

【審査官】三島木 英宏

(56)【参考文献】

【文献】中国特許出願公開第１０６３０１０９６（ＣＮ，Ａ）

【文献】特開２００７－２１８２１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２１６３６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－２２５２９２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｐ ２９／００

Ｆ０４Ｄ ２９／５８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ファンユニットを有するモータを駆動するモータ駆動装置であって、
前記モータを駆動するためのサーボアンプに電源が投入されたことを検知したことに応じて、前記電源が投入されたことを示す信号を出力する起動確認部と、
前記電源が投入されたことを示す信号を前記起動確認部から受信したことに応じて、前記サーボアンプに対して、前記モータの回転子を所定時間継続して正転方向と逆転方向にそれぞれ９０度未満の所定の角度だけ交互に回転させることで、前記回転子を前記所定の角度で前記所定時間、揺動させる指令を送出する振動指令部と、
を備えるモータ駆動装置。

【請求項2】

前記モータは、誘導モータ又は同期モータである、請求項１に記載のモータ駆動装置。

【請求項3】

前記指令は、前記回転子が前記所定時間継続して前記正転方向と前記逆転方向にそれぞれ前記所定の角度だけ交互に回転するように、前記モータの固定子により、前記正転方向及び前記逆転方向に交互に回転する回転磁界を生じさせる指令である、請求項１に記載のモータ駆動装置。

【請求項4】

前記指令は、前記回転子を前記所定の角度で前記所定時間、所定の周波数で揺動させる指令である、請求項１から３のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、モータ駆動装置に関する。

【背景技術】

【0002】

送風機や冷却ファン付きの電動機等の機器において、塵埃や液体のミスト等が機器内に付着することによる動作不具合の発生を防ぐ構成を備えた機器が知られている。これに関し、特許文献１は、ファンの正回転終了後に自動的に逆回転運転を行う送風機制御装置を記載する（要約書）。また、特許文献２は、ファンの固有振動数にて共振するように駆動モータの回転数を制御することにより、ファンに付着した塵埃を除去する換気装置を記載する（要約書）。また、特許文献３は、冷却ファン付きの電動機において、ファンモータの停止時にロータと冷却ファンのインペラとを連結し、ファンモータの始動後にロータとインペラとの連結を切断する連結部を備えるようにした電動機を記載する（要約書）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００７－２１８２１６号公報

【文献】特開２００９－２１６３６６号公報

【文献】特開２０１７－２２５２９２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

冷却ファン付きの電動機においてファンに付着したスラッジが固着し、ファンモータの回転動作に不具合が生じたり、ファンモータが回らなくなる事象が生じ得る。特許文献１－２のように塵埃等の除去のためにファンの運転を必要とする構成は消費電力の増加を招くと共に、ファンモータの正転・逆転の制御、回転数の制御等を行うための回路も必要となる。特許文献３の電動機は、ロータとファンを繋げる機構を必要としそのためのスペースの確保が必要となり、またコストの増加を招く。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示の一態様は、ファンユニットを有するモータを駆動するモータ駆動装置であって、前記モータを駆動するためのサーボアンプに電源が投入されたことを検知したことに応じて、前記電源が投入されたことを示す信号を出力する起動確認部と、前記電源が投入されたことを示す信号を前記起動確認部から受信したことに応じて、前記サーボアンプに対して、前記モータの回転子を所定時間継続して正転方向と逆転方向にそれぞれ９０度未満の所定の角度だけ交互に回転させることで、前記回転子を前記所定の角度で前記所定時間、揺動させる指令を送出する振動指令部と、を備えるモータ駆動装置である。

【発明の効果】

【0006】

上記構成によれば、ファンモータの運転に伴い消費電力が増加するような事態を招来することなく、また、回転子とファンとを繋げるための機構の追加も要することなく、モータに付着或いは固着した塵埃、スラッジ等をモータの起動時に的確に除去することが可能である。

【0007】

添付図面に示される本発明の典型的な実施形態の詳細な説明から、本発明のこれらの目的、特徴および利点ならびに他の目的、特徴および利点がさらに明確になるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】一実施形態に係るモータ駆動装置の全体構成を表す図である。

【図2】サーボアンプの機能ブロック図である。

【図3】起動確認部の機能ブロック図である。

【図4】モータを正転・逆転させる指令によりモータが動作している状態を説明するための図である。

【図5A】図５Ｂと共に起動確認部及び振動指令部による電源投入の確認からモータを振動させる動作に至る一連の処理を表すフローチャートである。

【図5B】図５Ａと共に起動確認部及び振動指令部による電源投入の確認からモータを振動させる動作に至る一連の処理を表すフローチャートである。

【図6A】回転磁界により回転子に正転方向への電磁力が発生している状態を表す図である。

【図6B】回転子が正転方向へ指定の角度回転した状態を表す図である。

【図6C】回転磁界により回転子に逆転方向への電磁力が発生している状態を表す図である。

【図6D】回転子が逆転方向へ指定の角度回転した状態を表す図である。

【図7A】正転方向の回転磁界を発生させた状態を表す図である。

【図7B】正転方向への回転磁界により回転子に渦電流が発生した状態を表す図である。

【図7C】回転子に正転方向の電磁力が発生した状態を表す図である。

【図8A】逆転方向の回転磁界を発生させた状態を表す図である。

【図8B】逆転方向への回転磁界により回転子に渦電流が発生した状態を表す図である。

【図8C】回転子に逆転方向の電磁力が発生した状態を表す図である。

【図9】回転子を振動させることによりスラッジが除去される状態を表すイメージ図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

次に、本開示の実施形態について図面を参照して説明する。参照する図面において、同様の構成部分または機能部分には同様の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これらの図面は縮尺を適宜変更している。また、図面に示される形態は本発明を実施するための一つの例であり、本発明は図示された形態に限定されるものではない。

【0010】

図１は一実施形態に係るモータ駆動装置１００の全体構成を表す図である。図１に示されるように、モータ駆動装置１００は、モータ３０と、モータ３０を制御する電動機制御部７０とを備える。モータ駆動装置１００は、例えば、工作機械、ロボット、鍛圧機械、射出成形機、各種電化製品、電車、自動車等の各種の機械に用いられ得る。

【0011】

モータ３０は、モータ本体１０と、モータ本体１０の後部に装着されたファンユニット２０とを有する。モータ本体１０は、主要な構成要素として、回転子１１と、固定子１２と、駆動軸１４と、本体カバー１３とを有する。ファンユニット２０は、ファンモータ２２と、ファンの羽２３と、ファンカバー２１とを有する。モータ３０は、本実施形態では誘導モータであるものとするが、同期モータ等の他のタイプのモータが用いられても良い。

【0012】

電動機制御部７０は、サーボアンプ４０と、起動確認部５０と、振動指令部６０とを有する。サーボアンプ４０は、交流電源９０から供給される交流電源を内部で利用可能な直流電圧に変換すると共に、外部から入力される指令に応じてモータ３０を駆動する駆動信号を生成する。起動確認部５０は、サーボアンプ４０に電源が投入されたことを検知し、電源の投入が検知されたことに応じてサーボアンプ４０に電源が投入されたことを示す信号を振動指令部６０に対して送信する。振動指令部６０は、起動確認部５０から電源投入が確認されたことを示す信号を受信したことに応じて、モータ３０の回転子１１を振動させるための指令（電圧・電流指令）をサーボアンプ４０に送信する。このような構成により、電動機制御部７０は、サーボアンプ４０に電源が投入されたことに応じてモータ３０の回転子１１を振動させ、ファンの羽２３等に付着或いは固着した塵埃やスラッジ等を除去することができる。

【0013】

図２は、サーボアンプ４０の機能ブロック図である。サーボアンプ４０は、電源部４１と駆動用インバータ４２とを備える。交流電源９０は、例えば三相交流４００Ｖ電源、三相交流２００Ｖ電源、単相交流１００Ｖ電源等である。なお、サーボアンプ４０に投入される電源はこれらに限るものではない。電源部４１は、交流電力を直流電力に変換し駆動用インバータ４２へ供給する。電源部４１は、交流電力を直流電力に変換する三相ブリッジ回路等から構成することができる。

【0014】

駆動用インバータ４２は、モータ３０を駆動するために直流電力を交流電力に変換し、モータ３０へ駆動電力として供給する。このため、駆動用インバータ４２は例えば逆変換器を有する。駆動用インバータ４２内の逆変換器は、外部（振動指令部６０等）から受信した駆動指令（電流・電圧指令）に基づき各スイッチング素子がオンオフ制御されることにより直流電力とモータ３０の駆動電力である交流電力との間で電力変換を行う。なお、駆動用インバータ４２は、外部（振動指令部６０等）から受信した指令（電流・電圧指令等）に応じて逆変換器に対する駆動指令信号を生成する制御部（不図示）を有していても良い。駆動用インバータ４２内の逆変換器は、駆動指令信号に基づき内部のスイッチング素子をスイッチング動作させ、電源部４１から供給される直流電力を、モータ３０を駆動するための所望の電圧、電流、周波数等を有する交流電力に変換する（逆変換動作）。これにより、モータ３０は、例えば電圧可変及び周波数可変の交流電力に基づいて動作する。

【0015】

図３は、起動確認部５０の機能ブロック図である。図３に示すように、起動確認部５０は、電圧測定部５１と、Ａ／Ｄ変換器５２と、マイコン５３とを有する。電圧測定部５１には、サーボアンプ４０の電源部４１により生成された直流電圧が供給される。電圧測定部５１は、電源部４１により生成された直流電圧を測定する。電圧測定部５１は、測定した電圧を示すアナログ信号をＡ／Ｄ変換器５２に供給する。Ａ／Ｄ変換器５２は、入力されるアナログの電圧値をデジタル値に変換しマイコン（マイクロコントローラ）５３に供給する。マイコン５３は、Ａ／Ｄ変換器５２から供給される電圧値を監視し、電圧値が所定の値或いは所定の電圧範囲になると、電源投入（起動）を確認したことを示す信号を振動指令部６０に対して送信する。

【0016】

一例として、モータ３０が２００Ｖ駆動用のモータである場合、マイコン５３は、入力電圧値が２００Ｖから２４０Ｖの範囲内に入ったことを確認できると、起動を確認したことを示す信号を振動指令部６０に対して送信しても良い。別の例として、モータ３０が４００Ｖ駆動用のモータである場合、マイコン５３は、入力電圧値が４００Ｖから４８０Ｖの範囲内に入ったことを確認できると、起動を確認したことを示す信号を振動指令部６０に対して送信しても良い。

【0017】

振動指令部６０は、起動を確認したことを示す信号を受信することに応じて、モータ３０の回転子１１を振動させるための指令（電圧・電流指令）をサーボアンプ４０の駆動用インバータ４２に送信する。例示として、この場合、振動指令部６０は、回転子１１を揺動（例えば微小な角度だけ高速で正転・逆転）させる。図４は、振動指令部６０によるこのような指令を受けてモータ３０が動作している状態を説明するための図である。なお、図４は、モータ本体１０の駆動軸１４に垂直な面による断面図であって後方側（出力軸と反対側）から見た場合の状態を表している（図６Ａ－図６Ｄ、図７Ａ－図７Ｃ、図８Ａ－図８Ｃについても同様）。図４の図示において、時計回り方向を正転方向とし、反時計回りを逆転方向とする（図６Ａ－図６Ｄ、図７Ａ－図７Ｃ、図８Ａ－図８Ｃについても同様）。

【0018】

例示としてモータ本体１０には６つの巻線１１１から１１６が配置されているものとする。例示として、このような巻線（３つのコイル）に対して１２０°ずつ位相の異なる駆動電流を流すことで回転磁界を生じさせ、回転子１１を回転させる電磁力を生じさせることができる。振動指令部６０は、回転子１１に対して正転方向の電磁力Ｆ１が作用するように各巻線１１１から１１６に電流を流す第１の状態ＳＴ１と、回転子１１に対して逆転方向の電磁力Ｆ２が作用するように各巻線１１１から１１６に電流を流す第２の状態ＳＴ２とが交互に発生するような指令（電圧・電流指令）を駆動用インバータ４２に送信する。振動指令部６０は、例えばマイコン（マイクロコントローラ）６１により構成される。

【0019】

図５Ａ－図５Ｂは、起動確認部５０及び振動指令部６０による電源投入の確認からモータ３０を振動させる動作に至る一連の処理（以下、モータ起動確認及び振動処理と記載する）を表すフローチャートである。はじめに、サーボアンプ４０に対する電源オンスイッチの操作等によりサーボアンプ４０に交流電源９０の電源投入がなされると（ステップＳ１）、起動確認部５０の電圧測定部５１は投入された電源の電圧を測定する（ステップＳ２）。

【0020】

マイコン５３はＡ／Ｄ変換器５２から出力される電圧値を監視し、電圧値が所定の範囲内に入ったか否かを判定する（ステップＳ３）。電圧値が未だ所定の範囲に入っていない場合、マイコン５３による電圧の監視が継続される（Ｓ３：ＮＯ）。電圧値が所定の範囲に入ると（Ｓ３：ＹＥＳ）、マイコン５３は、起動を確認したことを示す信号を振動指令部６０に送信する（ステップＳ４）。

【0021】

起動を確認したことを示す信号を受信すると、振動指令部６０は、回転子１１を正転させる指令（電流・電圧指令）をサーボアンプ４０（駆動用インバータ４２）に送信する（ステップＳ５）。図６Ａは、回転子１１を正転させる指令によりモータ３０が駆動され始めた状態を表している。図６Ａに示されるように固定子１２の巻線１１１－１１６（３つのコイル）に対して図示の様に電流が流され、固定子１２により図の上方向きで且つ正転方向（図中時計回り）Ｃ１に回転する回転磁界Ｍ１が生じる。回転磁界Ｍ１の正転方向Ｃ１への回転は、回転子１１に渦電流を生じさせ、それにより回転子１１に正転方向（図中時計回り）の電磁力Ｆ１を生じさせる。よって、回転子１１は回転磁界Ｍ１と同じ方向に連れ回る。

【0022】

モータ３０は、位置センサ（不図示）を有しており、位置センサの検出信号はサーボアンプ４０にフィードバックされる。位置センサは、例えば、光学式のエンコーダである。ステップＳ６では、例えば、振動指令部６０が位置センサの出力をサーボアンプ４０を介して取得し、回転子１１の回転角度を求める。図６Ｂに示すように、回転子１１が初期位置Ｐ０から位置Ｐ１に回転し、回転子１１の正転方向への回転角度が指定の角度φに達していると（Ｓ７：ＹＥＳ）、振動指令部６０は、回転子１１を正転方向へ回転させる指令の送出を停止する（ステップＳ８）。これにより図６Ｂに示すように、巻線１１１－１１６へ流す電流は停止され、電磁力Ｆ１も消える。なお、回転子１１の回転角度が指定の角度φに到達するまでは回転角度の測定が継続される（Ｓ７：ＮＯ）。例示として、角度φは９０°未満とする。

【0023】

次に、ステップＳ９（図５Ｂ）では、振動指令部６０は、回転子１１を逆転させる指令（電流・電圧指令）をサーボアンプ４０に送信する。図６Ｃは、回転子１１を逆転させる指令によりモータ３０が駆動され始めた状態を表している。図６Ｃに示されるように、固定子１２の巻線１１１－１１６（３つのコイル）に対して、正転時（図６Ａ）と逆向きの電流が流され、図中下方向きで且つ逆転方向（図中反時計回り）Ｃ２に回転する回転磁界Ｍ２が生じる。回転磁界Ｍ２の逆転方向Ｃ２への回転は、回転子１１に渦電流を生じさせ、それにより回転子１１に逆転方向の電磁力Ｆ２を生じさせる。よって、回転子１１は回転磁界Ｍ２と同じ方向に連れ回る。

【0024】

ステップＳ１０では、例えば、振動指令部６０が位置センサの出力を取得し、回転子１１の回転角度を求める。図６Ｄに示すように、回転子１１が位置Ｐ１から初期位置Ｐ０に戻り、回転子１１の逆転方向への回転角度が指定の角度φに達していると（Ｓ１１：ＹＥＳ）、振動指令部６０は、回転子１１を逆転方向へ回転させる指令の送出を停止する（ステップＳ１２）。これにより図６Ｄに示すように、巻線１１１－１１６へ流す電流は停止され、電磁力Ｆ２も消える。なお、回転子１１の回転角度が指定の角度φに到達するまでは回転角度の測定が継続される（Ｓ１１：ＮＯ）。

【0025】

次に、振動指令部６０は、予め決められた時間、回転子１１の正転・逆転動作を行ったか否かを判定する（ステップＳ１３）。回転子１１を正転・逆転させる動作が予め決められた時間に達していない場合には、ステップＳ５からの処理を継続する（Ｓ１３：ＮＯ）。回転子１１を正転・逆転させる動作が予め決められた時間に達した場合（Ｓ１３：ＹＥＳ）、本処理を終了する。以上の処理により、回転子１１の正転・逆転を予め決められた時間繰り返す動作を行わせることができる。このように回転子１１を揺動させることで（言い換えると、回転子１１を振動させることで）、モータ３０全体を振動させ、ファンユニット２０内のファンの羽２３等に付着或いは固着した塵埃やスラッジ等を除去することができる。回転子１１を揺動させる周波数、角度、時間は、適宜決定することができる。例えば、回転子１１の揺動を微小な角度で高速で実行するようにしても良い。

【0026】

ここで、図７Ａ－図７Ｃを参照し、正転方向Ｃ１に回転する回転磁界Ｍ１により生じる渦電流により、回転子１１に正転方向の電磁力Ｆ１が生じることを説明する。

【0027】

図７Ａに示すように正転方向Ｃ１に回転する回転磁界Ｍ１が発生すると、回転子１１の表面付近における回転磁界Ｍ１の進行方向に対応する箇所には磁界の増加を妨げる向き（回転磁界Ｍ１と反対向き）の磁界を生じさせるような渦電流が発生する（図７Ｂ）。符号２１２、２１３はこのような渦電流における回転磁界Ｍ１に近い側（渦電流が重なり合う箇所）の電流（誘導電流）の向きを示す。他方、回転子１１の表面付近における回転磁界Ｍ１の進行方向の反対側には磁界の減少を補う向き（回転磁界Ｍ１と同じ向き）の磁界を生じさせるような渦電流が発生する（図７Ｂ）。符号２１１、２１４はこのような渦電流における回転磁界Ｍ１に近い側（渦電流が重なり合う箇所）の電流（誘導電流）の向きを示す。回転磁界Ｍ１と誘導電流２１１、２１２、２１３、２１４により回転子１１には電磁力Ｆ１が作用する（図７Ｃ）。

【0028】

次に、図８Ａ－図８Ｃを参照し、逆転方向Ｃ２に回転する回転磁界Ｍ２により生じる渦電流により、回転子１１に逆転方向の電磁力Ｆ２が生じることを説明する。

【0029】

図８Ａに示すように逆転方向Ｃ２に回転する回転磁界Ｍ２が発生すると、回転子１１の表面付近における回転磁界Ｍ２の進行方向に対応する箇所には磁界の増加を妨げる向き（回転磁界Ｍ２と反対向き）の磁界を生じさせるような渦電流が発生する（図８Ｂ）。符号２２４、２２１はこのような渦電流における回転磁界Ｍ２に近い側（渦電流が重なり合う箇所）の電流（誘導電流）の向きを示す。他方、回転子１１の表面付近における回転磁界Ｍ２の進行方向の反対側には磁界の減少を補う向き（回転磁界Ｍ２と同じ向き）の磁界を生じさせるような渦電流が発生する（図８Ｂ）。符号２２３、２２２はこのような渦電流における回転磁界Ｍ２に近い側（渦電流が重なり合う箇所）の電流（誘導電流）の向きを示す。回転磁界Ｍ２と誘導電流２２１、２２２、２２３、２２４により回転子１１には電磁力Ｆ２が作用する（図８Ｃ）。

【0030】

以上述べたように本実施形態によれば、ファンモータの運転に伴い消費電力が増加するような事態を招来することなく、また、回転子とファンとを繋げるための機構の追加も要することなく、モータに付着或いは固着した塵埃、スラッジ等をモータの起動時に的確に除去することが可能である。

【0031】

図９には、電源投入時に回転子１１を振動させることで、ファンの羽２３とファンカバー２１の内面との間に固着したスラッジ３０１が除去される状況を表すイメージを図示した。なお、図９は、ファンユニット２０の内部を後方から見た図である。本実施形態によれば、モータ３０の起動時に回転子１１を振動させるように固定子１２からの磁束が制御される。そして、回転子１１の振動がファンカバー２１、ファンの羽２３へと伝わり、ファンの羽２３とファンカバー２１の間のスラッジを剥離させ固着から解放させることができる。

【0032】

以上、典型的な実施形態を用いて本発明を説明したが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなしに、上述の各実施形態に変更及び種々の他の変更、省略、追加を行うことができるのを理解できるであろう。

【0033】

上述の実施形態で説明した構成は、指令により回転子に揺動運動を行わせることのできる各種のモータに適用することができる。

【0034】

図２、図３に示した機能ブロック図における各機能ブロックの配置は一例であり、図示以外の機能配分も有り得る。例えば、サーボアンプ４０に配置している電源部４１の機能を起動確認部５０に配置するような構成例も有り得る。

【0035】

上述の実施形態で用いられるマイコン（マイクロコントローラ）は、ＣＰＵコア、メモリ（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性メモリ等）、タイマー、入出力インタフェース等を内蔵する集積回路である。

【0036】

上述した実施形態における、モータ起動確認及び振動処理の全体又はその一部を実行するプログラムは、コンピュータに読み取り可能な各種記録媒体（例えば、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリ等の半導体メモリ、磁気記録媒体、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ等の光ディスク）に記録することができる。

【符号の説明】

【0037】

１０ モータ本体
１１ 回転子
１２ 固定子
１３ 本体カバー
１４ 駆動軸
２０ ファンユニット
２１ ファンカバー
２２ ファンモータ
２３ ファンの羽
３０ モータ
４０ サーボアンプ
４１ 電源部
４２ 駆動用インバータ
５０ 起動確認部
５１ 電圧測定部
５２ Ａ／Ｄ変換器
５３ マイコン
６０ 振動指令部
６１ マイコン
９０ 交流電源
１００ モータ駆動装置
Ｆ１、Ｆ２ 電磁力
Ｍ１、Ｍ２ 回転磁界
１１１、１１２、１１３、１１４、１１５、１１６ 巻線

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図6D】

【図7A】

【図7B】

【図7C】

【図8A】

【図8B】

【図8C】

【図9】