JP2004324552A - 電動圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】電動圧縮機モータのＰＷＭ制御に関し、パルスデューティによる回転数制御におけるチョッピング周波数の騒音課題に対し、安価で低騒音のモータ駆動制御装置を提供する。
【解決手段】密閉容器１０１に冷媒が封入され、永久磁石１５２を備えた回転子１１２と固定子１１０とからなるインバータ駆動のモータ１１５と、このモータ１１５によって駆動される圧縮要素１２０を密閉容器１０１内に収容し、モータ１１５の駆動制御装置１６０は、低回転数駆動時には位置検出によるフィードバック制御を行い、高回転駆動時には所定周波数を出力するオープンループ制御を行うことにより、同一回転数でのデューティも相対的に大きくすることができるのでＰＷＭ制御のキャリア周波数の騒音を小さくできる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は主に家庭用冷蔵庫やエアコンに用いられるインバータ駆動の電動圧縮機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ブラシレスモータは効率が高く、近年、冷凍システムに用いられる圧縮機などにも多く使用されるようになってきた。
【０００３】
従来の電動圧縮機としては固定子巻線の逆起電圧から回転子の回転の相対位置を検出し、スイッチング素子をチョッピングし、ＰＷＭ（パルス幅変調）制御を行うもの（例えば特許文献１参照）が知られている。
【０００４】
以下従来の圧縮機電動機制御装置について図面を参照しながら説明する。
【０００５】
図８は従来の電動圧縮機の固定子の上面図、図９は従来の電動圧縮機の回転子の上面図、図１０は従来の電動圧縮機の駆動制御装置の回路図である。
【０００６】
図８から図１０において固定子１はコア３に形成されたティース５に巻線７が直接的に巻回されている集中巻き型の固定子を形成する。
【０００７】
回転子１０は鉄心１２に板状の永久磁石１４が埋め込まれているＩＰＭ型の回転子を形成する。モータ３０は固定子１および回転子１０からなり、シャフト（図示せず）を介して圧縮機構３２を動作させている。商用電源３４を整流する整流回路３６は倍電圧整流方式を採用しており、ＡＣ１００Ｖを入力とし、ＤＣ２５０Ｖを出力としている。
【０００８】
インバータ４０は、スイッチング素子を３相ブリッジ接続した構成であり、整流回路３６の直流出力を３相の任意電圧、任意周波数の出力に変換し、モータ３０に電力を供給する。また各相に対して各々１２０度の通電を行うことで、矩形波の交番電流が供給される。
【０００９】
逆起電圧検出回路４２はモータ３０の固定子巻線の逆起電圧から回転子の回転の相対位置を検出する。ドライブ回路４６はインバータ４０のスイッチング素子をオン／オフさせる。
【００１０】
転流回路４８は、モータ３０が定常運転しているときに逆起電圧検出回路４２の出力によりインバータ４０のどの素子をオンさせるかを決定する。
【００１１】
ＰＷＭ制御回路５０は、インバータ４０のスイッチング素子の上側アームまたは下側アームのスイッチング素子のみをチョッピングし、ＰＷＭ（パルス幅変調）制御を行う。
パルス幅のデューティ（パルス周期中のオン周期の割合）を上／下させることで出力電圧を上昇／下降させることができる。
【００１２】
以上のように構成された圧縮機電動機制御装置について次に動作について説明する。
【００１３】
モータ３０が停止状態から起動をさせるときには逆起電圧が発生していないため、位置検出は不可能である。従ってインバータ４０から強制的に低周波数、低デューティの出力を出し、強制的に回転をスタートさせる（一般的に低周波同期起動と呼ばれる）。
【００１４】
ある程度回転が上昇してくると、モータ３０の固定子巻線に逆起電圧が発生し、逆起電圧検出回路４２からの位置検出信号を転流回路４８で加工し、ドライブ回路４６に与えることにより通常のＤＣモータとしての運転（位置信号による閉ループ制御）を行うこととなる。
【００１５】
ＤＣモータにおいては電圧を変化させることで回転数制御が可能であり、ＰＷＭ制御回路５０からのデューティを大きくすると回転数が上昇し、逆にデューティを小さくすると回転数が下降することとなる。
【００１６】
また逆起電圧検出回路４２の位置検出信号の出力は回転子の回転と完全に同期しているので、この信号より回転数を検知しデューティを調整することにより、モータの回転数制御ができることになる。
【００１７】
【特許文献１】
特開平３−５５４７８号公報
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらこのような構成では、ＰＷＭ制御回路５０からのパルスのデューティにより回転数を制御しているため、チョッピング周波数（以後、キャリア周波数と呼ぶ）の騒音、一般的には数ｋＨｚ〜十数ｋＨｚの騒音が発生してしまう。
【００１９】
また、ＩＰＭ型の回転子１０は永久磁石１４が内蔵されているので、回転子１０の鉄心１２と固定子１のティース５をつないだ磁路を形成する。そのため、電流が矩形波の場合には相が切り替わった時に磁路は隣のティース５に切り替わるため、磁力の変化が急激に起こり、それによって固定子１の変形が起こるため、騒音を発生させてしまう。
【００２０】
また、パルスのデューティにより回転数を制御しているため、デューティ１００％となったところが最大出力となり、その時点での回転数より高い回転数では運転できないため、必要とする電動圧縮機の能力を得るためにはモータ３０の出力を高める必要があり、同じ銅量を用いた場合、その分効率が落ちてしまう。
【００２１】
以上のような問題を解決するためにモータ３０の巻線７に三相正弦波交流を印加することで騒音を低減するものがある。
【００２２】
しかしながら、三相正弦波交流を印加する方法は電流検出回路からの情報から回転子の位置を算出しなければならず、一般に電流検出にはカレントトランスを使用し、回転子位置の算出には高速演算が可能なマイクロコンピュータを使用する必要があり高価なものとなってしまう。
【００２３】
本発明は安価で騒音が低く効率の高い電動圧縮機を提供することを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載の発明は、密閉容器に冷媒が封入され、永久磁石を備えた回転子と固定子とからなるモータと、前記モータによって駆動される圧縮要素を前記密閉容器内に収容し、前記モータの駆動制御装置は、低回転数駆動時には位置検出によるフィードバック制御を行い、高回転駆動時には所定周波数を出力するオープンループ制御を行うようにしたものであり、位置検出を見ずに出力周波数のみをあげていき、それに同期させて回転数を上げていく同期モータとしての動作を行うため、モータ電流の位相はモータの逆起電圧の位相に比べて進んで運転されるので弱め磁束制御が働き、高回転数での運転が可能となるため、最大出力を低く設定した高効率なモータを使うことができるとともに、同一回転数でのデューティも相対的に大きくすることができるのでＰＷＭ制御のキャリア周波数の騒音を小さくすることができるという作用を有する。
【００２５】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明に、駆動制御装置は、モータの３相の各相に対して各々１３０度以上１８０度未満の広角通電を行うもので、電流が正弦波状になり、モータのトルクリップルが小さくなることにより、振動を著しく小さくすることができるという作用を有する。
【００２６】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の発明に、固定子はコアのティースに直接的に巻線を施したものであり、ティースに直接に巻線されているため巻線とティースとの間での振動減衰効果が少なく加振されて音を発生させ易いにもかかわらずキャリア周波数やトルクリプルの騒音を小さくすることができるという作用を有する。
【００２７】
請求項４に記載の発明は、請求項２または３のいずれか一項に記載の発明に、永久磁石は回転子を形成する鉄心の中に収納されたものであり、隣のティースに切り替わる際生ずる磁力の変化を小さくなることで、振動を小さくできるという作用を有する。
【００２８】
請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれか一項に記載の発明に、圧縮要素は圧縮室を形成するシリンダと、前記圧縮室内に往復自在に挿入されたピストンと、主軸部および偏心軸部を備えたクランクシャフトと、前記ピストンと前記偏心軸を連結する連結手段とを備えたものであり、レシプロ型の機構において請求項１から４と同様の作用を有する。
【００２９】
請求項６に記載の発明は、請求項４に記載の発明に、冷媒がＲ６００ａであるとしたものであり、高回転数での運転が可能となるため、冷凍能力が低い冷媒においてもピストンが小さくでき、振動を小さくできるという作用を有する。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による電動圧縮機の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３１】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態による電動圧縮機の断面図、図２は同電動圧縮機の固定子の上面図、図３は同電動圧縮機の回転子の上面図、図４は本発明の実施の形態による駆動制御装置の回路図、図５は同駆動制御装置のブロック図、図６は同電動圧縮機のモータトルクと回転数の関係を示した特性図、図７は同駆動制御装置のスイッチング素子のオンのタイミングと電流波形を示した特性図である。
【００３２】
図１から図７において、密閉容器１０１内にはオイル１０３を貯溜すると共にＲ６００ａの冷媒１０２が封入され、固定子１１０と回転子１１２からなるモータ１１５およびこれによって駆動される圧縮要素１２０が弾性的に支持されている。
【００３３】
圧縮要素１２０は回転子１１２が固定された主軸部１２３及び偏芯軸部１２４から構成されたクランクシャフト１２６と、クランクシャフト１２６の主軸部１２３を軸支すると共に圧縮室１３０を有するシリンダ１３２と、圧縮室１３０内で往復運動するピストン１３５と、偏芯軸部１２４とピストン１３５を連結する連結手段１３８とを備え、いわゆるレシプロ型の圧縮機構を構成している。
【００３４】
固定子１１０はコア１４０に形成されたティース１４２に巻線１４５が直接的に巻回されており、いわゆる集中巻き型の固定子を形成している。
【００３５】
回転子１１２は鉄心１５０に板状の永久磁石１５２が埋め込まれており、いわゆるＩＰＭ型（インテリアパーマネントマグネット型）の回転子を形成している。なお、永久磁石１５２はネオジウム等の希土類から形成されている。
【００３６】
次に本実施の形態における駆動制御装置について説明する。
【００３７】
商用電源１６１は、例えば一般家庭における１００Ｖ６０Ｈｚの交流電源である。
【００３８】
駆動制御装置１６０は整流回路１６２、インバータ１６３、位置検出回路１６５、制御回路１６６から構成されている。
【００３９】
整流回路１６２は商用電源１６１の交流を整流して直流に変換するもので、本実施例では倍電圧方式のものを示しており、ＡＣ１００Ｖ入力とし、ＤＣ２５０Ｖを出力としている。
【００４０】
インバータ１６３はスイッチング素子（例えばＩＢＧＴやＦＥＴなど）を３相ブリッジ接続した構成であり、整流回路１６２の直流出力をＰＷＭ（パルス幅変調）制御で３相の任意電圧・任意周波数の出力に変換した上でモータ１１５に出力される。なお、３相の各相は各々１２０度の通常の通電を行うか、または各々１３０度以上１８０度未満の広角通電を行う。ここでは通電角を１５０度としている。
【００４１】
位置検出回路１６５は、モータ１１５の入力端子に発生する逆起電圧を検出して回転子１１２の回転位置を相対的に検出する。
【００４２】
制御回路１６６は、位置検出回路１６５の出力によってインバータ１６３のスイッチング素子のオン／オフさせるタイミングを決定するフィードバック制御と、位置検出回路１６５の出力に関係なくインバータ１６３から所定周波数・所定電圧の出力をさせるオープンループ制御をその運転状況で切り替える。
【００４３】
以上のような構成において、次に動作を説明する。
【００４４】
駆動制御装置１６０によってモータ１１５は駆動され、回転子１１２によってクランクシャフト１２６は回転し、偏芯軸部１２４の偏心運動が連結手段１３８を介してピストン１３５を圧縮室１３０内で往復運動させることで、周知の圧縮動作が行われる。
【００４５】
つぎに駆動制御装置１６０の動作について、図５を用いて説明する。
【００４６】
図５において、ＳＴＥＰ１で回転数を確認する。つぎにＳＴＥＰ２で回転数が所定値以下の時（すなわち低回転数の時）はＳＴＥＰ３の位置検出によるフィードバック制御を行う。一方、ＳＴＥＰ２で目標回転数が所定値以下でない時（すなわち高回転数の時）はＳＴＥＰ４の所定周波数を出力するオープンループ制御を行う。
【００４７】
ここで所定周波数を出力するオープンループ制御を行うことにより、通常の位置検出によるフィードバック制御を行う場合と比較して更に高い回転数を実現できる。この動作について更に図６を用いて詳しく説明する。
【００４８】
図６において、Ｃは通常の位置検出によるフィードバック制御を行っている時の最大デューティ（例えば１００％）でのモータ特性を示す。一般的にトルクが上がると回転数が下がるような特性となる。
【００４９】
いま、モータの指令回転数がｒ１、トルクがｔ１である時、モータはＡ点で運転している。この時は位置検出によるフィードバック制御を行っており、最適な切り替えによって運転しているので効率の高い運転を行う。
【００５０】
ここで、指令回転数がｒ２に変わると、制御回路１６６は回転数を上げるためにデューティをあげていく。これにより回転数が上がっていくが、特性Ｃと交わるＤ点まで行くと最大デューティ（１００％）に到達し、それ以上回転数を上げることが出来なくなる。
【００５１】
この時制御回路１６６はデューティをそのままで所定周波数のみを上げていくオープンループ制御に切り替わる。すなわち、位置検出を見ずに出力周波数のみをあげていき、それに同期させて回転数を上げていく同期モータとしての運転制御となる。
【００５２】
この際、モータ電流の位相はモータの逆起電圧の位相に比べて進んで運転されることにより電流の一部が磁束を弱め、その結果固定子巻線に発生する誘起電圧が低くなり、電源からの供給電圧を前記誘起電圧が上回る回転数が高くなることで高回転数での運転を可能とする。一般にこの作用は弱め磁束と呼ばれる。
【００５３】
次に駆動波形の広角通電について、図７を用いて説明する。
【００５４】
図７において、横軸に時間、縦軸にＵ相上・Ｖ相上・Ｗ相上・Ｕ相下・Ｖ相下・Ｗ相下の各スイッチング素子のオン／オフの状態を示すとともに、Ｕ相の電流波形を示している。Ｕ相以外の相はＵ相に対して１２０度位相がずれるだけでＵ相電流波形と相似な電流波形となるため、省いた。
【００５５】
ここで示すように通電角を１５０度の広角通電とすることによってＵ相の電流波形は通常の矩形波電流が得られる１２０度通電に対し、立ち上がりの電流が低くなることで正弦波形に近づいている。
【００５６】
その結果、低回転数駆動時、位置検出によるフィードバック制御を行っているときには、広角通電により電流が正弦波状になることでモータのトルクリップルが小さくなり、従来の１２０度通電に比べて振動を著しく低減することができる。
【００５７】
また、高回転駆動時、所定周波数を出力するオープンループ制御を行っていてデューティ１００％での広角通電を行っている際には、電流が正弦波状になることでモータのトルクリップルが小さくなり、その結果回転がスムーズになり、更に高速運転が可能となる。
【００５８】
以上のような動作から、従来の電動圧縮機と同一の冷凍能力を必要とする場合は気筒容積を小さくすることができ、ピストン１３５を小さくするか主軸部１２３に対する偏芯軸部１２４の偏心量を少なくできるため、圧縮要素１２０の振動を小さくすることができる。特に冷媒の冷凍能力が非常に小さく、大きな気筒容積を要求されるＲ６００ａの冷媒においては、その改善効果が著しい。
【００５９】
一方、モータについては最大出力を低く設定したモータを使うことができ、その結果、巻線をより多く巻き込んだ高効率なモータを採用することができるため、高効率の電動圧縮機を得ることができる。また、同一回転数でのデューティも相対的に大きくすることができるので、ＰＷＭ制御のキャリア周波数の騒音も相対的に下がることになる。
【００６０】
また、固定子は鉄心のティースに直接的に巻線を施したものであり、ティースに直接に巻線されているため巻線とティースとの間での振動減衰効果が少なく加振されて音を発生させ易いにもかかわらずキャリア周波数やトルクリプルの騒音を小さくすることができ、安価で高効率な集中巻きのモータを用いながら騒音の低い電動圧縮機を実現することができる。
【００６１】
更に、回転子１１２は鉄心１５０に板状の永久磁石１５２が埋め込まれており、一般に効率の高い、いわゆるＩＰＭ型（インテリアパーマネントマグネット型）を形成していて、更に磁束密度を上げて高い効率を得るために、永久磁石１５２はネオジウム等の希土類から形成されている。しかしながらＩＭＰ型の回転子は内蔵された磁石がロータの鉄心と固定子のティースをつないだ強い磁路を形成する。本実施の形態では永久磁石１５２がネオジウム等の希土類から形成されているため、更に強い磁路が形成される。
【００６２】
その結果、電流が矩形波の場合には、相が切り替わった時に磁路は隣のティースに切り替わるため、磁力の変化が急激に起こり、それによって固定子を変形させ、これに起因した騒音が発生する。
【００６３】
しかしながら本実施の形態においては電流が正弦波形に近ため、相が切り替わる前後で電流の値が小さくなっており、かつ、相が切り替わった後も電流値が滑らかに増減するので固定子に対する磁力の変化が小さくなり、その結果、固定子の変形が抑えられ、振動を小さく抑えることができ、高効率で騒音の低い電動圧縮機を実現することができる。
【００６４】
以上のように本実施の形態によれば安価で騒音が低く効率の高い電動圧縮機を実現することができる。
【００６５】
なお、本実施の形態においては、密閉容器に弾性的に支持されたレシプロ型の圧縮機構を構成している電動圧縮機について説明したが、密閉容器に直接固定子を固定し、または圧縮機のタイプが例えばロータリー型やスクロール型であっても同様の効果を有する。
【００６６】
また、本実施の形態においては、永久磁石はネオジウム等の希土類から形成しているが、一般的に用いられているフェライト等で形成しても同様の作用、効果が得られる。
【００６７】
更に、本実施の形態において、整流回路１６２は倍電圧整流としたが、他の整流方式（例えば全波整流回路・半波整流回路など）でもよく、また出力電圧が切り替えることができるもの（例えば、倍電圧整流と全波整流とをリレーや半導体スイッチで切り替えるものなど）や出力電圧がリニアに変更できるもの（昇圧チョッパ、高圧チョッパなどのＤＣ−ＤＣコンバータ）であってもよいことはいうまでもない。
【００６８】
また、位置検出回路１６５は、モータ１１５の入力端子に発生する逆起電圧を検出する方式としたが、ホール素子などの位置検出センサーを使ったものでも良い。
【００６９】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１に記載の発明は、高回転数での運転が可能となるため、最大出力を低く設定した高効率なモータを使うことができ、またデューティを相対的に大きくすることでＰＷＭ制御のキャリア周波数の騒音を小さくすることができるため、安価で騒音が低く効率の高い電動圧縮機を実現することができるという効果がある。
【００７０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明の効果に加えて電流が正弦波状になり、モータのトルクリップルが小さくなることにより、振動を著しく小さくした電動圧縮機を実現することができるという効果がある。
【００７１】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の発明の効果に加えてキャリア周波数やトルクリプルの騒音を小さくすることで固定子は鉄心のティースに直接的に巻線を施したものでも騒音が低く、安価で効率の高い電動圧縮機を実現することができるという効果がある。
【００７２】
請求項４に記載の発明は、請求項２または３のいずれか一項に記載の発明の効果に加えて、隣のティースに切り替わる際生ずる磁力の変化を小さくなることで、永久磁石は回転子を形成する鉄心の中に収納されたものであっても振動を小さくした電動圧縮機を実現することができるという効果がある。
【００７３】
請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれか一項に記載の発明の効果に加えて、安価で高効率、低騒音のレシプロ型電動圧縮機が実現できるという作用を有する。
【００７４】
請求項６に記載の発明は、請求項４に記載の発明の効果に加えて、冷媒がＲ６００ａであるとしたものであり、冷凍能力が低い冷媒においてもピストンが小さくでき、振動を小さくした電動圧縮機を実現することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による電動圧縮機の断面図
【図２】同電動圧縮機の固定子の上面図
【図３】同電動圧縮機の回転子の上面図
【図４】本発明の実施の形態による駆動制御装置の回路図
【図５】本発明の実施の形態による電動圧縮機の駆動制御装置のブロック図
【図６】本発明の実施の形態による電動圧縮機のモータトルクの特性図
【図７】本発明の実施の形態による電動圧縮機の駆動制御装置の特性図
【図８】従来の電動圧縮機の固定子の上面図
【図９】従来の電動圧縮機の回転子の上面図
【図１０】従来の電動圧縮機の駆動制御装置の回路図
【符号の説明】
１０１ 密閉容器
１０２ 冷媒
１１０ 固定子
１１２ 回転子
１１５ モータ
１２０ 圧縮要素
１２３ 主軸部
１２４ 偏芯軸部
１２６ クランクシャフト
１３０ 圧縮室
１３２ シリンダ
１３５ ピストン
１３８ 連結手段
１４０ コア
１４２ ティース
１４５ 巻線
１５０ 鉄心
１５２ 永久磁石
１６０ 駆動制御装置

Claims (6)

1. 密閉容器に冷媒が封入され、永久磁石を備えた回転子と固定子とからなるインバータ駆動のモータと、前記モータによって駆動される圧縮要素を前記密閉容器内に収容し、前記モータの駆動制御装置は、低回転数駆動時には位置検出によるフィードバック制御を行い、高回転駆動時には所定周波数を出力するオープンループ制御を行う電動圧縮機。
2. 前記駆動制御装置は、前記モータの３相の各相に対して各々１３０度以上１８０度未満の広角通電を行う請求項１に記載の電動圧縮機。
3. 固定子はコアのティースに直接的に巻線を施した請求項１または請求項２に記載の電動圧縮機。
4. 永久磁石は回転子を形成する鉄心の中に収納された請求項２または請求項３に記載の電動圧縮機。
5. 圧縮要素は圧縮室を形成するシリンダと、前記圧縮室内に往復自在に挿入されたピストンと、主軸部および偏心軸部を備えたクランクシャフトと、前記ピストンと前記偏心軸を連結する連結手段とを備えた請求項１から４のいずれか一項に記載の電動圧縮機。
6. 冷媒がＲ６００ａである請求項５に記載の電動圧縮機。

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