具备异常检测功能的电动机驱动装置制造方法

具备异常检测功能的电动机驱动装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种具备异常检测功能的电动机驱动装置。电动机驱动装置的特征在于，具备：功率半导体元件(11)，其用于电力转换；驱动部(12)，其为向电动机供给电力而驱动控制功率半导体元件；热传递结构部(13)，其通过热传导部件向冷却介质传递从功率半导体元件产生的热量；温度检测部(14)，其检测热传导部件的实际温度；电流检测部(15)，其检测从功率半导体元件向电动机的输出电流值；温度推定部(16)，其根据输出电流值计算热传导部件的推定温度；以及异常检测部(17)，其基于实际温度与推定温度的差，判定热传递结构部中有无异常。
【专利说明】具备异常检测功能的电动机驱动装置

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种电动机驱动装置，特别是一种具备对包含将从功率半导体元件产 生的热量向外部传递的散热器的散热路径、或者参与散热的部件中的异常进行检测的功能 的电动机驱动装置。

【背景技术】
[0002] 在驱动机床的进给轴、主轴、或者驱动工业机械、工业用机器人的臂等的电动机驱 动装置中，在从交流到直流或者从直流到交流的电力转换中使用功率半导体元件。一般地， 功率半导体元件紧贴散热器等安装，将通电时产生的热量释放到散热器侧，通过自然对流 将热量从散热器释放到空气中。
[0003] 另外，有些情况下通过用风扇电动机等制造空气的流动，将加热的空气排放到散 热器的外部，使热量以良好的效率从散热器散放到空气中。这样，通过抑制功率半导体元件 的温度上升，能够充分利用功率半导体元件的性能。
[0004] 但是，如上述这样的功率半导体元件的散热路径的一部分中发生故障、或者散热 能力下降这样的异常时，功率半导体元件无法充分发挥性能。不仅如此，继续这样使用还有 可能导致功率半导体元件发生损坏。
[0005] 这里，所谓散热路径的故障或异常，举出以下的例子。
[0006] (1)从功率半导体元件的芯片到基板金属面的热传导不良（原因：功率半导体元 件本身的故障）。
[0007] (2)基板金属面和散热器之间的热传导不良（原因：忘记涂抹硅脂或者硅脂的性 能老化等）。
[0008] (3)散热器的热传导不良（原因：散热片被灰尘等堵塞而通风不良，散热片表面污 染而散热性能下降等）。
[0009] (4)通过散热器的风没有达到期望的风量（原因：风扇电动机的异常（转速降低、 停止等））。
[0010] 为了检测上述这样的故障或异常，提出了各种各样的技术。对于（1)?⑶，提出 了一种技术（例如专利文献1)，设置检测功率半导体元件的芯片和散热器的温度本身的单 元，如果超过某个规定温度则停止电动机驱动装置。
[0011] 专利文献1提出了一种方法，计算通电中的功率半导体元件的温度，合适地保护。 功率半导体元件的温度的计算方法将基准点的温度测定值和功率半导体元件的温度相对 于基准点的上升量的计算值求和。温度的上升量的计算中，将功率半导体元件的热传递以 一阶滞后系统模型化。
[0012] 然而，专利文献1中记载的现有技术中，以关于散热的路径中没有故障或异常、功 率半导体元件的温度的计算值能够正确推定实际的温度为前提。所以，如果散热路径中有 故障或异常则无法正确计算，无法提供合适的保护。另外，在上述现有技术中，也无法检测 散热路径的故障或异常。
[0013] 另外，专利文献1中记载的现有技术中，存在"为了安装温度检测单元而成本增 力口"、"只有当超过某个规定温度时才能检测异常"、"在散热路径中，只能检测有限的部位的 故障"这些问题。
[0014] 另外，对于（4)提出的技术例如监视风扇电动机的旋转状态（旋转/停止、或者转 速等），如果旋转状态有异常则停止电动机驱动装置。另外还提出了一种技术（例如专利文 献2)，通过监视对电动机的通电切断的状态下散热器的温度变化，来检测风扇电动机的旋 转状态的异常。风扇电动机在散热路径中也是独立的部件，因此相对容易检测故障和异常。
[0015] 在专利文献2中公开了一种逆变装置，其检测风扇电动机等送风单元的异常。图1 中表示专利文献2中记载的冷却机构的一部分。功率半导体元件模块1009与二极管模块 1007 -起紧贴在作为散热部件的散热片1010上安装。另外，在散热片1010的上表面上还 安装有温度传感器1011，其检测散热片1010的温度。而且，散热片1010具备多个片1010a， 设置有冷却用风扇1012,使得冷却风沿着片1010a流过。
[0016] 专利文献2中记载的现有技术中，通电中散热部件的温度上升某种程度后切断通 电，通过监测其后的散热部件的温度的下降来检测送风单元的异常。具体来说，根据将送风 单元关闭的状态下的下降温度和将送风单元打开的状态下的下降温度的差，来检测送风单 元的异常。
[0017] 上述现有技术中，能够检测与散热有关的路径中送风单元（风扇电动机等）的异 常。然而具有以下问题点：能够检测异常的仅有送风单元；或者当将送风单元打开/关闭的 单元或散热部件的温度检测单元发生故障时无法正确检测；以及不是切断通电的状态下就 无法检测等。
[0018] 专利文献 1 :JP-A-2〇ll-〇36〇95
[0019] 专利文献 2 JP-A-2007-312536
[0020] 现有技术中，在检测释放功率半导体的发热的散热路径的故障和异常方面，难以 "不耗费成本，且将与散热相关的多个部件的异常"在"早期阶段"检测。本发明的目的是， 在电动机驱动装置中，以低成本容易地检测如上所述的功率半导体元件的散热路径相关的 部件的故障、或者异常等。


【发明内容】

[0021] 本发明的电动机驱动装置的特征在于，具备：功率半导体元件，其用于电力转换； 驱动部，其为向电动机供给电力而驱动控制功率半导体元件；热传递结构部，其通过热传导 部件向冷却介质传递从功率半导体元件产生的热量；温度检测部，其检测热传导部件的实 际温度；电流检测部，其检测从功率半导体元件向电动机的输出电流值；温度推定部，其根 据输出电流值计算热传导部件的推定温度；以及异常检测部，其基于实际温度与推定温度 的差，判定热传递结构部中有无异常。
[0022] 根据本发明的电动机驱动装置，与现有技术相比，能够获得如下所述的效果。第 一，实际的温度检测只需一处即可，不需要添加大型的检测电路和部件。第二，能够检测与 一系列散热相关的路径整体的故障或异常，并且能够以某种程度确定是哪个部分有故障或 异常。第三，不论电动机是通电时还是非通电时都能检测异常。第四，能够监视从正常状态 发生故障或异常的过程，因此能够在停止电动机驱动装置之前发出警告等（在生产现场， 能够避免机床停止、生产中断这样的情况）。第五，通过经常比较两个值，当某一方有故障或 异常时，能够立刻检测出。

【专利附图】

【附图说明】
[0023] 通过结合附图进行的具体说明，本发明的上述以及其他特征、优点更加明确。
[0024] 图1是表示现有的功率半导体元件的冷却机构部的立体图。
[0025] 图2是本发明的实施例1涉及的电动机驱动装置的结构图。
[0026] 图3是用于说明本发明的实施例1涉及的电动机驱动装置的动作步骤的流程图。
[0027] 图4是用于说明根据本发明的电动机驱动装置中的、热传递结构部的实际温度和 推定温度的关系判断有无异常的曲线图。
[0028] 图5是用于说明本发明的实施例2涉及的电动机驱动装置的动作步骤的流程图。
[0029] 图6是本发明的实施例3涉及的电动机驱动装置的结构图。

【具体实施方式】
[0030] 以下参照附图对本发明涉及的电动机驱动装置进行说明。但需要留意的是，本发 明的技术范围不局限于这些实施的方式，而是覆盖请求专利保护的范围中记载的发明及其 等效物。
[0031] [实施例1]
[0032] 图2表示本发明的实施例1涉及的电动机驱动装置的结构图。本发明的电动机 驱动装置1具备：功率半导体元件11，其用于电力转换；驱动部12,其为了向电动机4供给 电力，驱动控制功率半导体元件11 ;热传递结构部13,其通过热传导部件向冷却介质传递 从功率半导体元件11产生的热量；温度检测部14,其检测热传导部件的实际温度；电流检 测部15,其检测从功率半导体元件11向电动机4的输出电流值；温度推定部16,其根据输 出电流值计算热传导部件的推定温度；以及异常检测部17,其基于实际温度与推定温度的 差，判定热传递结构部13中有无异常。
[0033] 异常检测部17具有存储用于判定有无异常的阈值K的存储部（图中未显示），在 实际温度和推定温度的差超过了阈值K的情况下判断为异常。
[0034] 电动机驱动装置1还具有电动机控制部18,其控制电动机4的动作，从异常检测部 17接收警报，电动机控制部18在接收到警报的情况下，限制电动机4的动作。
[0035] 在电动机驱动装置1上连接有上位控制装置2,从上位控制装置2对电动机控制 部18发送位置指令或者速度指令等。作为上位控制装置，举出例如CNC装置等。可以考虑 通过将警报传递给CNC装置，例如在CNC装置画面上显示异常来通知机床用户等使用方法。 另外，也可以应用经由CNC装置在网络上进行电动机驱动装置的异常监视等。
[0036] 图2所示的电动机驱动装置1中，使用IGBT等功率半导体元件，用于从交流到直 流或者从直流到交流的电力转换。功率半导体元件由于通电中产生的损失而芯片温度上 升，当芯片温度超过规定的温度时，功率半导体元件有损坏的可能。在电动机驱动装置1 中，通过热传递结构部13等将电力转换用的功率半导体元件11的发热释放。所以，在电动 机驱动装置1的设计中，如何将功率半导体元件11的发热释放、如何抑制功率半导体元件 11的温度上升是重要的。
[0037] 以下，作为一个例子，以将功率半导体元件11中产生的发热释放到空气中的情况 为例进行说明。
[0038] -般地，功率半导体元件11紧贴在热传递结构部13中包含的热传导部件（例如 散热器）上安装。这时，为了以良好的效率将热量传递到散热器侧，将称为功率半导体元件 的基板的金属面紧贴在散热器上安装。另外，为了热量从接触面以更良好的效率传递，有时 在基板金属面和散热器之间夹有硅脂这样的热传递率高的物质来安装。
[0039] 为了以良好的效率将热量释放到空气中，热传递结构部13中包含的散热器等热 传导部件的结构一般是增大(增宽）与空气的接触面积、也就是表面积。并且，通过在热传 递结构部13的附近安装风扇电动机10,增加通过散热器的风的量，能够更高效率地释放热 量。
[0040] 这样，通过将功率半导体元件11中产生的热量高效率地释放到空气中，能够充分 发挥功率半导体元件11的性能（具体来说，为电流量等），并且能够作为电动机驱动装置来 发挥高性能。
[0041] 然而，当散热路径中有故障或异常时，无法将功率半导体元件11发出的热量充分 地释放到空气中。其结果是导致功率半导体元件11的（设想以上的）温度上升，最严重的 情况下，功率半导体元件11会发生热损坏。
[0042] 所以，在电动机驱动装置中，在上述那样的散热设计的构思以外，将散热路径的故 障或异常在早期迅速地检测出也是重要的。
[0043] 热传递结构部13中包含的热传导部件的温度上升可以根据功率半导体元件11中 产生的损失来计算（推定）。具体来说，对于从热传递结构部13向外界气体（空气）的热 传递模型，若将功率半导体元件11中的产生损失作为输入来计算，则获得热传递结构部13 中包含的热传导部件相对于外界气体的温度上升值。作为从热传递结构部13向外界气体 的热传递模型，一般使用采用了热传递结构部13的热时间常数的一阶滞后系统模型。
[0044] 例如，热传递结构部13中包含的热传导部件相对于外界气体（空气）的温度上升 量Tb[°C ]可以通过下述的式（1)近似计算。
[0045] Tb=CX QX {l_exp (_t/τ )} (1)
[0046] 这里，Q[W]是功率半导体元件11中的产生损失，C[°C /W]是热传递结构部13的 热阻，τ是热传递结构部13的热时间常数。常数C、τ是根据热传递结构部13的规格确 定的常数。这里，热传递结构部13的热阻和热时间常数在单独使用热传递结构部13的情 况下和装有风扇电动机10的情况下为不同的值，使用符合实际使用状况的常数即可。
[0047] 另外，功率半导体元件11中的产生损失Q可以根据流过功率半导体元件11的电 流、也就是从功率半导体元件11向电动机4的输出电流通过近似计算来求出。具体来说， 例如可以通过对于从功率半导体元件11的输出电流，乘以由功率半导体元件11的特性确 定的一定的常数来求出。
[0048] 例如，可以用如下的式子近似计算。
[0049] Q=IXD (2)
[0050] 这里，I [A]是来自功率半导体元件11的输出电流。另外，D[W/A]是由功率半导体 元件11确定的常数，是求出对应于流过功率半导体元件11的电流产生的损失的系数。为 了检测来自功率半导体元件11的输出电流，没有必要安装新的部件或电路，利用一般为控 制电动机电流而使用的电流检测器即可。
[0051] 将如上计算（推定）出的热传递结构部13中包含的热传导部件的温度上升与实 际检测出的热传递结构部13中包含的热传导部件的温度上升比较，根据其结果能够检测 电动机驱动装置的散热路径的故障或异常。具体来说，例如以如下的方式判断。
[0052] (A) "推定出的温度（推定温度）的变化?检测出的实际的温度（实际温度）的 变化"的情况下，散热路径中无异常。
[0053] (B) "相对于推定出的温度（推定温度）的变化，检测出的实际的温度（实际温 度）的变化更慢（更晚）"的情况下，从功率半导体元件到热传递结构部的热传递路径中有 异常。
[0054] (C) "相对于检测出的实际的温度（实际温度）的变化，推定出的温度（推定温 度）的变化更慢（更晚）"的情况下，从热传递结构部到外部气体（空气）的热传递路径中 有异常。
[0055] 以下，对热传递结构部13中的异常的检测方法进一步进行详细说明。图3表示本 发明的实施例1中涉及的电动机驱动装置的处理流程的一个例子。流程中，Tr表示热传递 结构部13中包含的热传导部件（例如散热器）的实际温度（检测值），Tb表示热传递结构 部13中包含的热传导部件的推定温度（计算值），K表示用于判断为正常还是异常的阈值。
[0056] 首先，在步骤S101中，温度检测部14判断是否为用于检测热传递结构部13中包 含的热传导部件的温度的采样定时。如果判断为不是采样定时，则返回步骤S101，等待直至 成为采样定时。
[0057] 另一方面，为采样定时时，在步骤S102中，温度检测部14检测热传递结构部13中 包含的热传导部件的实际温度Tr。并且，在步骤S103中，温度推定部16根据由电流检测 部15检测出的从功率半导体元件11向电动机4的输出电流值计算热传递结构部13中包 含的热传导部件的推定温度Tb。
[0058] 然后，在步骤S104中，异常检测部17基于实际温度Tr和推定温度Tb的差，判定 热传递结构部13中有无异常。即，根据实际温度Tr和推定温度Tb的差的绝对值|Tr-Tb 是否超过预定的阈值K来判断热传递结构部13中有无异常。|Tr-Tb|为预定的阈值K以下 时（|Tr-Tb| <K)，判断为"散热路径中无异常"，返回步骤S101再次等待采样定时，进行热 传递结构部13中包含的热传导部件的实际温度的检测以及推定温度的计算。
[0059] 另一方面，当| Tr-Tb |超过预定的阈值Κ时（| Tr-Tb | >Κ)，判断为"散热路径中有 异常"，在步骤S105中，异常检测部17向电动机控制部18输出警报。还有，异常检测部17 也可以对上位控制装置2输出警报。
[0060] 这里，对于热传递结构部13中包含的热传导部件的实际温度和推定温度的关系 进一步详细说明。图4中表示电动机通电中热传递结构部13中包含的热传导部件的实际 温度Tr及推定温度Tb的时间变化的一个例子。假定电动机4在时刻、?h的期间内被 通电而动作，在某个时刻（t/tUi)检测热传递结构部13有无异常。图4的曲线图中，实线 表示推定温度Tb，虚线及单点划线分别表示实际温度Τ Γι及实际温度Tr2。并且，虚线基于 预定的阈值K，表示-K < Tr-Tb < K这一范围的上限和下限，两条虚线夹着的区域表示包含 热传递结构部13的散热路径为正常的范围（(ii)的情况）。
[0061] 如图4所示，实际温度Tr2在时刻t为Tr2-Tb>K(⑴的情况），判断为包含热传递 结构部13的散热路径中发生了异常。另一方面，实际温度ΤΓι在时刻t为ΤΓι-ΤΚ-Κ( (iii) 的情况），这种情况下也判断为包含热传递结构部13的散热路径中发生了异常。
[0062] 如上，根据本发明的实施例1涉及的电动机驱动装置，能够基于热传递结构部中 包含的热传导部件的实际温度和根据从功率半导体元件输出的电流计算的热传递结构部 中包含的热传导部件的推定温度，检测包含热传递结构部的散热路径有无异常，因此能够 容易地检测包含热传递结构部的散热路径的异常。
[0063] [实施例2]
[0064] 以下，对实施例2涉及的电动机驱动装置进行说明。实施例2涉及的电动机驱动 装置与实施例1涉及的电动机驱动装置具有相同的结构。
[0065] 图5表示用于说明实施例2涉及的电动机驱动装置的动作步骤的流程图。步骤 S201?S205与对实施例1涉及的电动机驱动装置的动作步骤进行说明的图3的流程图中 的步骤S101?S105相同，因此省略重复说明。
[0066] 在步骤S206中，异常检测部17判断从实际温度Tr减去推定温度Tb所得的值 (Tr-Tb)是正值还是负值，基于该判定结果，确定构成热传递结构部13的部件中发生了异 常的部件。即，基于作为温度检测部14的输出的实际温度Tr和作为温度推定部16的输出 的推定温度Tb的大小关系，对异常部位进行确定。
[0067] 当"实际温度Tr-推定温度Tb>0"时，在步骤S207中判断为"从热传递结构部13 向外部气体的散热路径中有异常"。这种情况下，表示热传递结构部13的实际温度Tr与推 定温度Tb相比异常地上升，可能是由于例如风扇电动机的转速降低或者停止，来自热传递 结构部13的散热不够充分。或者可能是热传递结构部13的散热片部分被灰尘等堵塞，散 热不充分。
[0068] 另一方面，当"实际温度Tr-推定温度Tb彡0"时，在步骤S208中判断为"从功率 半导体元件11向热传递结构部13的散热路径中有异常"。这种情况下，表示热传递结构部 13的实际温度Tr与推定温度Tb相比异常地偏低，可能是由于例如功率半导体元件11的基 板金属部与热传递结构部13的表面之间的物质（硅脂等）的热传递不充分，即忘记涂抹硅 脂或者硅脂由于老化而性能降低等。另外，也可能是功率半导体元件11本身的故障。
[0069] 如上，即使不能完全确定异常部位，也能在某种程度上筛选出异常部位。通过这样 的筛选可知只需更换用户看来有故障的部件（例如散热器）即可，能够实现迅速且低成本 的维修。
[0070] [实施例3]
[0071] 以下对实施例3涉及的电动机驱动装置进行说明。图6表示本发明的实施例3涉 及的电动机驱动装置的结构图。实施例3涉及的电动机驱动装置3与实施例1涉及的电动 机驱动装置1不同的点在于还具备模式切换部19,其在普通的电动机驱动模式和用于检测 热传递结构部13的异常的诊断模式间切换。
[0072] 在普通的电动机驱动模式中，大多使用机床等进行部件加工，即使检测出异常大 多也不能立刻停止。因此，还设置模式切换部19,通过例如确定为在电动机驱动装置接通电 源时进行一次或者每天一次等使电动机以诊断模式动作，来进行异常诊断。由此，能够迅速 检测异常并输出警报，或者实施更换故障部件等处置。还有，在诊断模式中，优选为在电动 机4中流过预先确定的电流。
[0073] 在以上的实施例的说明中，以将功率半导体元件中的发热释放到空气中的情况为 例，而对于向水或油等液体中散热这样的结构，也可以应用本发明。另外，在上述的说明中， 对着眼于热传递结构部中包含的热传导部件的温度来判断热传递结构部中有无异常的例 子进行了说明，而在着眼于散热路径中的散热器等热传导部件以外的其他结构部件的温度 的情况下，也可以应用本发明。
[0074] 另外，在以上的实施例的说明中，表示的是使用从直流转换为交流的逆变器作为 电动机驱动装置中使用功率半导体元件的电路的情况，而在使用从交流转换为直流的变换 器的情况下也可以应用本发明。
【权利要求】
1. 一种电动机驱动装置，其特征在于，具备： 功率半导体元件（11)，其用于电力转换； 驱动部（12)，其为了向电动机供给电力而驱动控制所述功率半导体元件； 热传递结构部（13)，其通过热传导部件向冷却介质传递从所述功率半导体元件产生的 热量； 温度检测部（14)，其检测所述热传导部件的实际温度； 电流检测部（15)，其检测从所述功率半导体元件向电动机的输出电流值； 温度推定部（16)，其根据所述输出电流值计算所述热传导部件的推定温度；以及 异常检测部（17)，其基于所述实际温度与所述推定温度的差，判定所述热传递结构部 中有无异常。
2. 如权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于， 所述异常检测部（17)具有存储部，其存储用于判定有无异常的阈值； 当所述实际温度和所述推定温度的差超过了所述阈值时，判断为所述热传递结构部中 发生了异常。
3. 如权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于， 所述异常检测部（17)根据从所述实际温度减去所述推定温度而得的值为正值还是负 值的判定结果，确定构成所述热传递结构部（13)的部件中发生了异常的部件。
4. 如权利要求1至3中任一项所述的电动机驱动装置，其特征在于， 所述异常检测部（17)当检测到异常时输出警报。
5. 如权利要求4所述的电动机驱动装置，其特征在于， 所述异常检测部（17)将所述警报传送给上位控制装置（2)。
6. 如权利要求4或5所述的电动机驱动装置，其特征在于， 还具有电动机控制部（18)，其控制电动机的动作，从所述异常检测部接收所述警报； 所述电动机控制部（18)在接收到所述警报时限制电动机的动作。
7. 如权利要求1至6中任一项所述的电动机驱动装置，其特征在于， 还具备模式切换部，其在普通的电动机驱动模式和用于检测所述热传递结构部（13) 的异常的诊断模式间切换。
8. 如权利要求7所述的电动机驱动装置，其特征在于， 在所述诊断模式中，在电动机中流过预先确定的电流。
【文档编号】H02P29/02GK104065325SQ201410105738
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年3月20日 优先权日:2013年3月22日
【发明者】佐佐木拓 申请人:发那科株式会社