(57)【要約】【課題】  モータドライバで矩形波状の電圧と３相交流電流を発生させ、モータケーブルを介してこの矩形波電圧を電動機に伝送するモータシステムでは、モータケーブルの分布インダクタンスや分布容量のために異常振動が発生し、電動機の電源にリンギングが重畳する。このため、ＥＭＩノイズが発生し、また電動機の電源端子や巻き線の絶縁破壊や鉄損の増加が発生するという課題を解決する。【解決手段】  電動機の回生電力を消費してブレーキをかけるブレーキ部の一端とフレームグランド、フレームグランドとブレーキ部の他端のそれぞれに電圧クランプ回路を配置するようにした。電圧クランプ回路でリンギングを吸収することができるので、ＥＭＩが低減し、かつ電動機の電源端子や巻き線の絶縁破壊が発生することがなく、鉄損が増加することもなくなる。また、モータの各相へ電圧クランプ回路を挿入した場合と同等の効果が得られる。【選択図】                    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
常時電動機に接続され、この電動機の回生電力を消費して前記電動機にブレーキをかけるブレーキ部と、
前記ブレーキ部の一端およびフレームグランドに接続され、電圧を所定の値にクランプする第１の電圧クランプ回路と、
前記ブレーキ部の他端およびフレームグランドに接続され、電圧を所定の値にクランプする第２の電圧クランプ回路と、
を具備したことを特徴とする電動機のブレーキユニット。
【請求項２】
常時電動機に接続され、この電動機の回生電力を消費して前記電動機にブレーキをかけるブレーキ部と、
前記ブレーキ部に並列に接続され、電圧を所定の値にクランプする第３の電圧クランプ回路と、
前記第３の電圧クランプ回路の一端とフレームグランドに接続される第１のコンデンサと、
前記第１のコンデンサに並列に接続される第１の抵抗と、
前記第３の電圧クランプ回路の他端とフレームグランドに接続される第２のコンデンサと、
前記第２のコンデンサに並列に接続される第２の抵抗と、
を具備したことを特徴とする電動機のブレーキユニット。
【請求項３】
前記第１乃至第３の電圧クランプ回路の少なくとも１つは、一定電圧を出力する直流電源と、この直流電源に直列に接続されたダイオードで構成されることを特徴とする請求項１若しくは請求項２記載の電動機のブレーキユニット。
【請求項４】
常時電動機に接続され、この電動機の回生電力を消費して前記電動機にブレーキをかけるブレーキ部と、
前記ブレーキ部の一端とフレームグランドに接続される第３のコンデンサと、
前記第３のコンデンサに並列に接続される第３の抵抗と、
前記第３の電圧クランプ回路の他端とフレームグランドに接続される第４のコンデンサと、
前記第４のコンデンサに並列に接続される第４の抵抗と、
を具備したことを特徴とする電動機のブレーキユニット。
【請求項５】
前記ブレーキ部に並列に接続される放電回路を具備したことを特徴とする請求項１乃至請求項４いずれかに記載の電動機のブレーキユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、矩形波電圧で駆動する電動機に用いられる発電型のブレーキユニットに関し、電動機を保護し、またＥＭＩノイズを低減することができる電動機のブレーキユニットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図５に、平面モータで用いられる発電型ブレーキユニットを搭載した電動機と、この電動機に３相交流電流を供給する電源の構成を示す。図５において、モータドライバ１０は電動機１４に供給する矩形波状電圧と３相交流電流を生成する。この矩形波電圧はモータフィルタ１１、モータケーブル１２、スイッチ手段１３を介して電動機１４に供給される。モータケーブルの１２の長さは設置条件によって異なり、数十ｍの長さになる場合もある。なお、図５ではモータケーブルとして同軸ケーブルを用いているが、それ以外のケーブルを用いることもある。また、モータフィルタ１１はＥＭＩ(electro-magnetic interference)対策の目的で用いられるローパスフィルタであり、モータドライブ１０が出力する矩形波電圧の高周波成分を除去して台形波状に整形する。
【０００３】
１５は発電型ブレーキユニットであり、電動機１４に近接して配置され、スイッチ手段１３を介して電動機１４に接続される。ブレーキユニット１５はスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ７、抵抗Ｒ１、Ｒ２、コンデンサＣ１で構成される。スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ７は、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)、ＭＯＳＦＥＴ、トランジスタ等が用いられる。
【０００４】
ブレーキをかけるときはスイッチ手段１３を用いてモータドライバ１０を切り離し、ブレーキユニット１５を電動機１４に接続する。電動機１４は発電機として動作し、その回生電力はブレーキユニット１５に入力される。ブレーキユニット１５はスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６を制御し、入力された回生電力を抵抗Ｒ２とコンデンサＣ１で構成される不完全積分回路に入力して消費する。電動機１４の発電量が多く、コンデンサＣ１両端の電圧が所定値以上になるとスイッチング素子Ｓ７をオンにし、コンデンサＣ１に充電された電荷を放電する。
【０００５】
特許文献１には、スライダの姿勢を安定させ、かつ制動距離を短縮できる発電型ブレーキユニットの発明が記載されている。以下、図６を用いてこの発明を説明する。なお、図５と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。
【０００６】
図６において、スイッチ手段１３はブレーキ信号が入力されるスイッチ制御手段２７によって制御される。ブレーキをかけるときはスイッチ手段１３によってモータドライバ１０を電動機１４から切り離し、コンバータ手段２０を接続する。コンバータ手段２０は図５のブレーキユニット１５と同様の構成を有し、電動機１４が発電した回生電力でコンデンサＣ２を充電する。
【０００７】
電流センサ２１ａ、２１ｂはコンバータ手段２０に流れる電流のうち２相の電流を測定する。この電流信号は積分手段２２ａ、２２ｂに入力され、不完全積分される。積分手段２２ａ、２２ｂの出力、およびこれらの出力を加算器２３で加算した出力はそれぞれＰＷＭ制御手段２４ａ〜２４ｃに入力される。ＰＷＭ制御手段２４ａ〜２４ｃの出力はそれぞれゲートドライブ回路２５ａ〜２５ｃに入力される。ゲートドライブ回路２５ａ〜２５ｃはコンバータ手段２０内のスイッチング素子を制御する。
【０００８】
電流センサ２１ａの出力信号は速度検出手段２６に入力され、速度信号Ｖｓが生成される。この速度信号Ｖｓは電圧制御手段２９に入力される。また、コンデンサＣ２の両端電圧は抵抗Ｒ３、Ｒ４で分圧され、電圧制御手段２９に入力される。電圧制御手段２９は、コンデンサＣ２両端の電圧が速度信号Ｖｓに追従するように、スイッチング素子Ｓ８を制御する。これにより、最適な共振特性が得られる。
【０００９】
コンデンサＣ２に並列に、定電圧電源３０とスイッチングダイオード３１の直列回路が接続される。コンデンサＣ２の両端電圧が定電圧源３０の出力電圧より低くなるとスイッチングダイオード３１がオンになり、電動機１４の励磁コイルに定電圧源３０から電流が供給される。
【００１０】
速度信号Ｖｓは定電流制御手段２８に入力される。定電流制御手段２８は、速度信号Ｖｓが一定値以下になるとゲートドライブ回路２５ａ〜２５ｃを制御し、電動機１４の特定の励磁コイルに一定電流が流れるように制御する。これにより、電動機１４を急速に停止させることができる。
【特許文献１】特開２００７−３３００４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、このような矩形波電圧で駆動される電動機には、次のような課題があった。前述したように、モータケーブル１２は数十ｍの長さがあるので、このモータケーブル１２の分布インダクタンスや分布容量の影響でモータケーブル１２を伝搬する電圧がＭＨｚの帯域で振動し、モータケーブル１２がアンテナになってＥＭＩノイズが発生し、あるいは電動機１４内で鉄損が増大し、著しい場合は電動機１４の電源端子や巻き線の絶縁が破壊されるという課題があった。
【００１２】
このことを、図５を用いて説明する。１６はモータフィルタ１１出口における電圧波形であり、矩形波状（正確には台形波状）になっている。この波形がモータケーブル１２を伝搬すると、分布インダクタンスや分布容量のために高周波ノイズが発生し、電動機１４入り口の波形は１７のようにリンギングが重畳した波形になる。このため、ＥＭＩノイズが発生し、また高周波成分が大きい場合は電動機１４内の巻き線で絶縁破壊が発生し、火災などの事故の原因になる危険性があった。
【００１３】
モータフィルタ１１の特性を調整し、リンギングが発生しないようにすることは不可能ではない。しかし、電動機１４の設置位置が変更されてモータケーブル１２の長さが変わるとモータフィルタ１１の特性が適合しなくなり、やはりリンギングが発生してしまうという課題もあった。
【００１４】
従って本発明の目的は、ブレーキユニットに電圧クランプ回路を付加することにより、電動機に供給する電圧のリンギングを低減することができる電動機のブレーキユニットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
このような課題を解決するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
常時電動機に接続され、この電動機の回生電力を消費して前記電動機にブレーキをかけるブレーキ部と、
前記ブレーキ部の一端およびフレームグランドに接続され、電圧を所定の値にクランプする第１の電圧クランプ回路と、
前記ブレーキ部の他端およびフレームグランドに接続され、電圧を所定の値にクランプする第２の電圧クランプ回路と、
を具備したものである。電動機の電源のリンギングを除去することができるので、ＥＭＩノイズを防止し、かつ巻き線の絶縁破壊が発生せず、鉄損が増加することがない。
【００１６】
請求項２記載の発明は、
常時電動機に接続され、この電動機の回生電力を消費して前記電動機にブレーキをかけるブレーキ部と、
前記ブレーキ部に並列に接続され、電圧を所定の値にクランプする第３の電圧クランプ回路と、
前記第３の電圧クランプ回路の一端とフレームグランドに接続される第１のコンデンサと、
前記第１のコンデンサに並列接続される第１の抵抗と、
前記第３の電圧クランプ回路の他端とフレームグランドに接続される第２のコンデンサと、
前記第２のコンデンサに並列接続される第２の抵抗と、
を具備したものである。電動機の電源のリンギングを除去することができるので、ＥＭＩノイズを防止し、かつ巻き線の絶縁破壊が発生せず、鉄損が増加することがない。
【００１７】
請求項３記載の発明は、請求項１若しくは請求項２記載の発明において、
前記第１乃至第３の電圧クランプ回路のいずれかを、一定電圧を出力する直流電源と、この直流電源に直列に接続されたダイオードで構成したものである。リンギング除去効果が高い。
【００１８】
請求項４記載の発明は、
常時電動機に接続され、この電動機の回生電力を消費して前記電動機にブレーキをかけるブレーキ部と、
前記ブレーキ部の一端とフレームグランドに接続される第３のコンデンサと、
前記第３のコンデンサに並列接続される第３の抵抗と、
前記第３の電圧クランプ回路の他端とフレームグランドに接続される第４のコンデンサと、
前記第４のコンデンサに並列接続される第４の抵抗と、
を具備したものである。電動機の電源のリンギングを除去することができるので、ＥＭＩノイズを防止し、かつ巻き線の絶縁破壊が発生せず、鉄損が増加することがない。
【００１９】
請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項４いずれかに記載の発明において、
前記ブレーキ部に並列に接続される放電回路を具備したものである。電圧クランプ回路やコンデンサを放電することができる。
【発明の効果】
【００２０】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
請求項１，２、３、４および５の発明によれば、電動機の回生電力を消費してブレーキをかけるブレーキ部の一端とフレームグランド間、および前記ブレーキ部の他端とフレームグランド間に電圧クランプ回路を配置するようにした。また、この電圧クランプ回路の代わりに、コンデンサと抵抗の並列回路を配置するようにした。さらに、ブレーキ部に並列に電圧クランプ回路を配置し、ブレーキ部の一端とフレームグランド間、および前記ブレーキ部の他端とフレームグランド間にコンデンサと抵抗の並列回路を配置するようにした。
【００２１】
モータケーブルに起因するリンギングを電圧クランプ回路あるいはコンデンサで吸収することができるので、ＥＭＩノイズの発生を低減することができるという効果がある。また、電動機にリンギングのない電圧を供給することができるので、リンギングによる電源端子や巻き線の絶縁破壊が発生せず、かつ鉄損が増加することがないという効果もある。
【００２２】
また、モータケーブルの長さが変化してもリンギングなどの異常振動が発生しないので、電動機の設置の自由度が増加するという効果もある。また、モータケーブルを含んだ負荷特性に依存しないモータドライバと電動機、ブレーキユニットのシステムを構築することができるという効果もある。
【００２３】
さらに、モータの各相へ電圧クランプ回路やコンデンサを挿入した回路と等価的に同じになるので、電圧クランプ回路の個数を削減して構成を簡単にすることができるという効果もある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下本発明を、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係る電動機のブレーキユニットの一実施例を示す構成図である。なお、図５と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。図１において、４０はブレーキ部であり、電動機１４の回生電力を消費してこの電動機１４にブレーキをかける。
【００２５】
４３、４４は電圧クランプ回路であり、その両端電圧を一定値以下に規制する。電圧クランプ回路４３はブレーキ部４０の一端とフレームグランドＦＧの間に、電圧クランプ回路４４はブレーキ部の他端とフレームグランドＦＧとの間に配置される。電圧クランプ回路４３、４４は、それぞれ第１、第２の電圧クランプ回路に相当する。
【００２６】
４１、４２はそれぞれ抵抗、スイッチング素子であり、直列接続される。ブレーキ部４０、抵抗４１、スイッチング素子４２、電圧クランプ回路４３、４４でブレーキユニットを構成している。なお、スイッチング素子４２はＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、トランジスタ等が用いられるが、スイッチの機能を有するものであれば他の素子であってもよい。
【００２７】
抵抗４１とスイッチング素子４２で放電回路を形成し、この放電回路はブレーキ部４０に並列に接続される。なお、図５、図６従来例ではスイッチ手段１３を用いてモータドライバ１０とブレーキユニット１５またはコンバータ手段２０を切り替えていたが、この実施例ではブレーキ部４０は常時電動機１４に接続される。
【００２８】
モータドライバ１０は矩形波状の電圧と３相交流電流を生成し、モータフィルタ１１に出力する。このモータドライバ１０の電源の中性点はフレームグランドＦＧである。モータフィルタ１１はローパスフィルタであり、モータドライバ１０が出力する矩形波電圧の高周波成分を除去して台形波状に整形する。モータフィルタ１１の出力はモータケーブル１２を介して電動機１４に供給される。この部分の構成は図５、図６従来例と同じである。
【００２９】
ブレーキ部４０は図５のブレーキユニット１５と同様の機能を有している。図１では６個のスイッチング素子しか記載していないが、実際には不完全積分回路等回生電力を消費する機構が含まれている。また、図６実施例のように、ブレーキ時に電動機１４の巻き線に電流を流し、強制的に停止する機構が含まれていてもよい。
【００３０】
前述したように、この実施例ではブレーキ部４０は常時電動機１４に接続される。ブレーキを作動させないときは、内部のスイッチング素子を全てオフに制御する。また、ブレーキをかけるときは、モータドライバ１０の動作を停止させ、電動機１４に３相交流電流が供給されないようにする。
【００３１】
なお、各スイッチング素子には逆起電力による破壊を防止するためにダイオードが並列に接続されているので、ブレーキを作動させないときでも、電圧クランプ回路４３、４４は電動機１４の電源端子に接続されている。
【００３２】
電圧クランプ回路４３、４４のクランプ電圧は、モータドライバ１０が出力する矩形波電圧の最大電圧より若干大きな値に設定する。モータドライバ１０は内部の直流電源の出力電圧を切り替えて矩形波電圧を生成するので、矩形波電圧の振幅は、フレームグランドＦＧを基準にして、この直流電源の出力電圧Ｖになる。なお、モータフィルタ１１、モータケーブル１２による電圧降下を無視すると、この電圧Ｖはリンギングがないときの電動機１４に印加される電圧の振幅でもある。
【００３３】
矩形波状のモータ駆動電圧にリンギングが発生すると、このリンギングは電圧クランプ回路４３、４４で吸収される。そのため、電動機１４にはリンギングがない波形が供給される。図１の４５はモータフィルタ１１の出力波形であり、矩形波状（正確には台形波状）になる。モータケーブル１２に起因するリンギングは電圧クランプ回路４３、４４で吸収されるので、電動機１４には４６に示すようなリンギングのない波形が供給される。そのため、ＥＭＩノイズの発生が低減され、また電源端子や巻き線の絶縁が破壊されることがなく、鉄損が増加することもない。
【００３４】
この実施例では、電圧クランプ回路４３、４４はブレーキ部４０の一端とフレームグランドＦＧとの間に配置される。このようにすることにより、等価的に電動機１４の各相とフレームグランドとの間に電圧クランプ回路を配置したのと同じになるので、リンギングを速やかにフレームグランドに流すことができ、リンギング除去効果を高めることができる。また、クランプ電圧はモータドライバ１０内の直流電源の出力電圧Ｖに設定すればよいので、設定が簡単になる。
【００３５】
抵抗４１とスイッチング素子４２で構成される放電回路は、電圧クランプ回路４３、４４にコンデンサ等の電荷蓄積素子が含まれていた場合、この電荷を放電させる目的で挿入される。なお、この放電回路はブレーキ部４０で使用する放電回路、例えば図５の抵抗Ｒ１とスイッチング素子Ｓ７で構成される放電回路、あるいは図６のスイッチング素子Ｓ８等で構成される放電回路と共用することもできる。また、電圧クランプ回路４３、４４に電荷を蓄積する素子がない場合、例えばツェナダイオードの機能を有するモジュールを用いる場合は、この放電回路を省略することもできる。
【００３６】
図２に電圧クランプ回路４３、４４の一例を示す。図２において、５０はダイオード、５１は直流電源、５２、５３は出力端子である。直流電源５１の出力電圧は、モータドライバ１０内の直流電源の出力電圧Ｖと同じか、若干高い値に設定する。また、電圧クランプ回路４３の場合は出力端子５２をブレーキ部４０の一端に、５３をフレームグランドＦＧに接続する。電圧クランプ回路４４では出力端子５２をフレームグランドＦＧに、５３をブレーキ部４０に接続する。
【００３７】
電動機１４の電源端子の電圧が直流電源５１の出力電圧より大きくなるとダイオード５０がオンするので、リンギングは直流電源５１に吸収される。電動機１４の電源端子の電圧が直流電源５１の出力電圧より低いとダイオード５０はオフになり、直流電源５１は切り離される。
【００３８】
図３に本発明の他の実施例を示す。なお、図１と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。また、モータドライバ１０、モータフィルタ１１、モータケーブル１２、電動機１４の構成は図１と同じなので、記載を省略する。ブレーキ部４０は電動機１４に近接して配置され、モータケーブル１２に接続される。
【００３９】
図３において、６０は電圧クランプ回路であり、ブレーキ部４０と並列に接続される。電圧クランプ回路６０は電圧クランプ回路４３、４４と同じ構成を有しているが、クランプ電圧を電圧クランプ回路４３、４４の倍以上に設定する。すなわち、モータドライブ１０内の直流電源の出力電圧Ｖの２倍かそれより若干大きな値とする。電圧クランプ回路６０は第３の電圧クランプ回路に相当する。
【００４０】
６２はコンデンサであり、ブレーキ部４０の一端とフレームグランドＦＧとの間に接続される。６１は抵抗であり、コンデンサ６２に並列に接続される。６４はコンデンサであり、ブレーキ部４０の他端とフレームグランドＦＧとの間に接続される。６３は抵抗であり、コンデンサ６４に並列に接続される。抵抗６１、６３はそれぞれ第１、第２の抵抗に相当し、コンデンサ６２、６４はそれぞれ第１、第２のコンデンサに相当する。
【００４１】
抵抗６１、６３は同じ抵抗値を有し、例えば１００ｋΩとする。コンデンサ６２と６４は同じ容量を有し、例えば数十μＦの値を用いる。このようにすると電圧クランプ回路６０のクランプ電圧はコンデンサ６２と６４に等分に分配される。コンデンサ６２、６４の容量を大きくすると電池の役割を果たし、電圧クランプ回路４３、４４と同じ効果を得ることができる。
【００４２】
この実施例では、電圧クランプ回路を１つにすることできる。また、等価的に電動機１４の各相に電圧クランプ回路を配置したのと同じになり、同等の効果が得られる。さらに、コンデンサ６２と６４を直列接続するので、これらのコンデンサの耐圧を確保することが容易になる。
【００４３】
図４に本発明の他の実施例を示す。なお、図３と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。図４において、７１はコンデンサであり、ブレーキ部４０の一端とフレームグランドＦＧとの間に接続される。７０は抵抗であり、コンデンサ７１と並列に接続される。７３はコンデンサであり、フレームグランドＦＧとブレーキ部４０の他端に接続される。７２は抵抗であり、コンデンサ７３に並列に接続される。
【００４４】
抵抗７０、７２はそれぞれ第３、第４の抵抗に相当し、コンデンサ７１、７３はそれぞれ第３、第４のコンデンサに相当する。抵抗７０、７２の抵抗値、コンデンサ７１、７２の容量値は、図３実施例と同程度の値が用いられる。この実施例は、図３実施例から電圧クランプ回路６０を除いたものに相当する。
【００４５】
図３実施例と同様に、等価的に各相にコンデンサ７１と７３、抵抗７０、７２を配置したのと同じになる。コンデンサ７１、７３が十分に充電されていると、リンギングはコンデンサ７１、７３でクランプされるので、電動機１４の電源端子の波形はリンギングのない波形になる。このため、ＥＭＩノイズが低減され、電動機１４の巻き線の絶縁破壊、鉄損の増大が発生することはなくなる。さらに、コンデンサ７１と７３を直列接続するので、これらのコンデンサの耐圧を確保することが容易になる。
【００４６】
なお、これらの実施例では平面モータの駆動用電動機について説明したが、矩形波状の電圧で駆動する電動機であれば、他のモータであってもよい。例えば、丸モータやリニアモータに応用することもできる。また、３相電動機について説明したが、単相電動機であってもよい。
【００４７】
また、電圧クランプ回路は図２に示す構成に限られない。ツェナダイオード等のような電圧を規制する構成であればよい。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の一実施例を示す構成図である。
【図２】電圧クランプ回路の一実施例を示す構成図である。
【図３】本発明の他の実施例を示す構成図である。
【図４】本発明の他の実施例を示す構成図である。
【図５】従来のブレーキユニットを有する電動機とモータドライバの構成図である。
【図６】従来のブレーキユニットを有する電動機とモータドライバの構成図である。
【符号の説明】
【００４９】
１０  モータドライバ
１１  モータフィルタ
１２  モータケーブル
１４  電動機
４０  ブレーキ部
４３、４４、６０  電圧クランプ回路
４１、６１、６３、７０、７２  抵抗
４２  スイッチング素子
５０  ダイオード
５１  直流電源
５２、５３  出力端子
６２、６４、７１、７３  コンデンサ
【図１】
2009240079.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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