JP2011010432A - モータの駆動装置 - Google Patents

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義典 竹岡
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Abstract

【課題】小型化のために平滑用コンデンサを小容量化した際、電圧が0V付近まで低下し、位置検出が行えず、安定した駆動が行えない。
【解決手段】脈動する母線電圧が予め定めた閾値より低下したと電圧判定手段114が判定したとき、インバータ105からモータ106へ印加される電圧を制御する制御手段114がモータ106への出力をモータ106が回生状態になるまで減少させることにより、コンデンサ103の容量を極めて小さくしても直流母線間の電圧が0V付近まで低下することがなくなり、位置検出を行うことができるため、安定した駆動を行うことができる。
【選択図】図1

Description

本発明は、冷蔵庫やエアコン等の冷凍空調システム、その他掃除機等の制御機器に用いられるブラシレスDCモータの特に直流電源部を構成する平滑用コンデンサを小容量化した駆動装置に関するものである。
従来の冷凍空調システムにおける圧縮機などに搭載されるブラシレスDCモータの駆動装置は、一般的には十分大きな平滑用コンデンサを有した整流回路と、インバータと、位置検出センサをなくし誘起電圧またはモータ電流から位置検出をすることより駆動されていた。これは圧縮機などの高温雰囲気・冷媒雰囲気・オイル雰囲気などで位置センサを取り付けることが著しく困難であったためである。
また、近年この駆動装置を小型化するために、整流回路の平滑用コンデンサを大幅に小容量化する取組みもなされている(例えば特許文献1参照)。この従来のブラシレスDCモータの駆動装置について図面を参照しながら説明する。
図6は従来のブラシレスDCモータの駆動装置のブロック図である。
図6において、単相交流電源1はダイオード全波整流回路2の入力に接続されており、さらにその出力は平滑用の小容量のコンデンサ16が接続されている。この小容量のコンデンサ16は従来の1/100程度の容量のコンデンサである。
PWM(パルス幅変調)インバータ4は、6個のスイッチング素子(逆向きのダイオードを含む)を3相ブリッジ接続している。その入力は小容量のコンデンサ16の両端に接続されている。
3相巻線が施されたブラシレスDCモータ5は、PWMインバータ4の出力に接続されており、これにより駆動されるものである。
制御回路17は、単相交流電源1の電圧v、直流部電流idc、PWMインバータ4の出力電流ia、ib、ic、位置検出センサ18からの位置情報θなどの情報を入力として、最適な駆動ができるようにPWMインバータ4のゲートを駆動している。
特開2002−51589号公報
しかしながら、上記従来の構成では、圧縮機などセンサをつけることが困難なものに対しては、適用することが難しいという課題を有していた。
また、センサを用いず誘起電圧やモータの電流を検出してインバータを駆動する方法も一般的に知られているが、小容量のコンデンサを用いた場合、母線電圧が脈動し低下すると、誘起電圧による位置検出が行えないなど、電流が減少し正確に位置を検出することが出来なくなり、位置がずれることで大きな電流が流れ、最悪の場合停止してしまうという課題を有していた。
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、ブラシレスDCモータの回転位置情報を得るためのセンサをつけることが困難で、母線電圧に大きな脈動が現れても、安定した運転を行うことができるブラシレスDCモータの駆動装置を提供することを目的とする。
上記従来の課題を解決するために、本発明のモータの駆動装置は、直流母線間の電圧を検出し所定の電圧以下になったらモータへの出力を減少させることにより、直流母線間の電圧が0V付近まで低下することがなくなり、誘起電圧からモータの位置を検出できるため、安定した駆動を行うことができる。
本発明のモータの駆動装置は、平滑用コンデンサの容量を極めて小さくしても、位置検出が可能となり、安定したモータの駆動を行うことができる。
本発明の実施の形態1におけるモータの駆動装置の電気回路構成を示すブロック図 同モータの駆動装置における直流母線間の電圧波形を示すタイミング図 同モータの駆動装置における電圧閾値によってデューティ幅を変更したときの電圧波形を示すタイミング図 同モータの駆動装置における通常運転時の電流の流れを示す電流経路図 同モータの駆動装置における電圧低下時の電流の流れを示す電流経路図 従来例であるモータの駆動装置の電気回路構成を示すブロック図
請求項1に記載の発明は、交流電源と、前記交流電源から入力された交流を直流に整流する整流回路と、前記整流回路からの出力電圧が前記交流電源の2倍の周波数で脈動するよう値を設定したコンデンサの値を決定した平滑手段と、前記整流回路より得られる直流を交流に変換するインバータと、前記インバータから得られる交流を入力とし、負荷を駆動するモータと、前記モータにより誘起される電圧から前記モータの位置を検出する位置検出手段と、脈動する直流母線間の電圧が予め定めておいた閾値の電圧より低下したかどうかを判定する電圧判定手段と、前記電圧判定手段で判定された電圧が閾値よりも高いときは前記位置検出手段により検出されたモータの位置に合わせた通電パターンを出力し前記モータの一回転中の回転速度が一定となるデューティを前記インバータに与え、電圧が閾値よりも低いときはデューティ幅を前記モータが回生状態になるまで低下させる制御手段を備えたものである。
かかる構成とすることにより、直流母線間の電圧が0V付近まで低下することがなくなり、平滑用コンデンサの容量を極めて小さくしても、誘起電圧から位置を検出できることとなり、安定した駆動を行うことができる。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明の前記平滑手段がコンデンサおよびリアクタで構成され、前記コンデンサおよび前記リアクタにより求められる共振周波数を、交流電源周波数の40倍以上になるよう設定したことにより、交流電源電流の高調波成分を抑制し、整流手段への入力電流の電源高調波特性の高性能化を実現することが出来る。
請求項3に記載の発明は、請求項1または2のいずれか一項に記載の発明の前記負荷を圧縮機の圧縮機構としたもので、かかることにより、位置検出センサをつけることのできない用途での小容量のコンデンサによる圧縮機の安定駆動が可能となり、その結果、駆動
装置の大幅な小型化を実現することができる。
請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の発明の前記圧縮機を、レシプロ型圧縮機としたもので、かかることにより、レシプロ型圧縮機はイナーシャが大きいという特性を利用しているため、直流母線電圧が落ち込んだときであっても速度の変動が少なく、より安定した駆動を行うことができる。
請求項5に記載の発明は、請求項3または4のいずれか一項に記載の発明の前記圧縮機を、凝縮器、減圧器、蒸発器等を備え、冷凍空調システムを構成する冷凍サイクルに用いたものである。
かかる構成とすることにより、小容量コンデンサで実現する小型の駆動装置が採用でき、これまで考えられていた以上の小型の冷凍空調システムが実現できる。このことは、冷蔵庫等の貯蔵装置に適用した場合、食品収納容積を大きく確保でき、また空気調和装置においても小型化が図れるものである。
請求項6に記載の発明は、請求項3から5のいずれか一項に記載の発明の前記圧縮機が圧縮する冷媒ガスを、R600aとしたもので、かかることにより、冷凍能力の低下を補うため、圧縮機の気筒容積が大きくでき、これに起因して圧縮機により大きなイナーシャを持たせることができ、より安定した起動および加速を行うことができるとともに、R600aを冷媒ガスとする環境負荷の小さい安価な圧縮機を提供することができる。
請求項7に記載の発明は、請求項1または2のいずれか一項に記載の発明の前記負荷を、電気洗濯機の洗濯機構としたもので、かかることにより、前記モータの駆動装置の小型化に起因して従来の電気洗濯機と同じ外形寸法で洗濯兼脱水槽の大容量化が達成できる。
請求項8に記載の発明は、請求項1または2のいずれか一項に記載の発明の前記負荷を、衣類等を攪拌乾燥する電気乾燥機の攪拌機構としたもので、かかることにより、前記モータの駆動装置の小型化に伴って従来の電気乾燥機と同じ外形寸法でドラムの大容量化が達成できる。
請求項9に記載の発明は、請求項1または2のいずれか一項に記載の発明の前記負荷を、送風装置の送風機構としたもので、かかることにより、前記モータの駆動装置の小型化に起因して従来の送風装置機に比べて小型化および軽量化を達成することができ、可搬性の高い送風装置を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1におけるモータの駆動装置のブロック図である。
図1において、交流電源101は、日本の場合、電圧が100[V]、周波数が50[Hz]または60[Hz]の一般的な商用の交流電源である。整流回路102は、周知の如く4個のダイオードがブリッジ接続されたものである。
平滑手段103はコモンモードフィルタで構成される高周波除去手段104と、整流回路102からの出力電圧が交流電源周波数の略2倍周波で大きく脈動するようコンデンサの値を設定している。
また、平滑手段3は、共振周波数が交流電源周波数の40倍以上になるように設定され
た小容量のフィルムコンデンサと該コンデンサへの突入充放電電流のピーク値を下げるためのリアクタを有している。
なお、平滑手段3を構成するリアクタは、交流電源101と平滑手段3を構成するフィルムコンデンサの間に挿入するため、整流回路102の前後どちらでも構わない。更に該リアクタは、前記高周波除去手段104を構成するコモンモードフィルタのリアクタンス成分との合成成分を考慮する。
インバータ105は平滑手段103からの出力電圧をモータ106の駆動のために所望の電圧値・周波数に変換する複数の半導体スイッチング素子により構成される。
モータ106は、今回ブラシレスDCモータとし、前記インバータ105の3相出力により駆動される。このモータ106の固定子には、3相スター結線された巻線が施されている。この巻き方は集中巻であっても、分布巻であっても構わない。また、回転子には、永久磁石を配置している。その配置方法は、表面磁石型(SPM)でも磁石埋め込み型(IPM)であっても構わず、また永久磁石はフェライトでも希土類でも構わない。
前記モータ106の回転子の軸に接続された圧縮要素107は、冷媒ガスを吸入し、圧縮して、吐出する。このモータ106と圧縮要素107とを同一の密閉容器に収納し、圧縮機108を構成する。圧縮機108の圧縮方式(機構形態)はロータリーやスクロールなど何であっても構わないが、今回はレシプロ型とする。レシプロ型はとくにイナーシャが大きく電圧低下時であっても回転数が低下しにくく、小容量のコンデンサでより滑らかに運転することができる。
また、冷媒ガスはR134a等何であっても構わないが、本実施の形態1においては、R600aを採用している。前記R600aはR134aとくらべ冷凍能力が低く、前記圧縮要素107の気筒容積を大きくして冷凍能力の低下を補う。その結果、前記圧縮機108は、イナーシャが大きくなっている。これにより、電圧低下時であっても、イナーシャによってモータ106が回転するため、速度が低下しにくく、小容量のコンデンサ103で運転した場合であっても、安定した運転が可能となる。
前記圧縮機108で圧縮された吐出ガスは、凝縮器109、減圧器110、蒸発器111を通って圧縮機108の吸い込みに戻るような冷凍空調システムを構成する。この時、前記凝縮器109では放熱を、前記蒸発器111では吸熱を行うので、冷却や加熱を行うことができる。必要に応じて前記凝縮器109や前記蒸発器111に送風機等を使い、熱交換をさらに促進することもできる。
位置検出手段112は、前記モータ106の誘起電圧またはモータ電流から前記モータ106における回転子の回転位置の検出を行う。本実施の形態1では、誘起電圧から回転子の回転位置を検出する方法について説明する。前記インバータ105は120度通電方式の矩形波駆動としているため、U、V、Wの3相の内、常時通電されていない相が所定の順で発生する。この通電されていない相に発生する誘起電圧のゼロクロス点を検出し、前記回転子の回転位置を検出する。検出した回転子の位置は制御手段113に出力される
電圧判定手段114は、直流母線間の電圧を検出し、検出した電圧が予め設定する閾値よりも高いか低いかを判定し、判定結果を制御手段113へと出力する。
制御手段113は、モータ106への印加電圧を制御する方法としてPWM制御を用いており、位置検出手段112の出力から、モータの各相に流れる電流の演算と、電圧判定手段114の出力からデューティ幅を制御する。
以上のように構成されたモータの駆動装置について、以下にその動作、作用を説明する
まず、平滑手段103を構成するコンデンサの両端の電圧波形について、図2および図1を用いて説明する。図2は本実施の形態1における直流母線間の電圧波形を示すタイミング図である。
図2において、縦軸には電圧を示し、横軸は時間を示す。
波形Aは、非常に負荷電流が小さい(ほとんど電流は流れていない)時の状態で、平滑手段103を構成するコンデンサの充電電荷がほとんど使われず、電圧の低下はほとんどない。ただし、ここでいう負荷電流は整流回路102の出力電流、すなわちインバータ105への入力電流であるものとする。整流後の電圧の最大値が141[V]、最小値も141[V]と電圧差はほぼ0である。
次に、負荷電流を大きくしていくと平滑手段103を構成するコンデンサの充電電荷が使われ、波形Bに示すように瞬時に最低電圧が低下してくる。
さらに負荷電流を大きくしていくと、平滑手段103を構成するコンデンサにはほとんど充電電荷が蓄えられず、波形Cに示すように瞬時最低電圧がほとんど0[V]まで低下してくる。
このように前記小容量のコンデンサ103が小容量の場合、負荷電流を取り出すとほとんど平滑されずに入力の交流電源101を全波整流した波形に近づく。
交流電源電流の高調波成分を抑制してIEC規格を遵守するために、小容量コンデンサと小容量リアクタとの共振周波数fLC(LC共振周波数)を交流電源周波数fの40倍よりも大きくなるように小容量コンデンサと小容量リアクタの組み合わせを決定する。
ここで、小容量コンデンサの容量をC[F]、小容量リアクタのインダクタンス値をL[H]とすると、LC共振周波数fLCは数1のように表される。
即ち、fLC>40fを満たすように小容量コンデンサと小容量リアクタの組み合わせを決定するものである。(IEC規格では交流電源電流の高調波成分において第40次高調波まで規定されているため)
以上により、小容量コンデンサおよび小容量リアクタの組み合わせを決定することで、交流電源電流の高調波成分を抑制して、IEC規格を遵守することが可能となる。
次に、直流母線間の電圧がピーク付近にある時の動作について説明する。モータ106に流したい電流が流れるように制御手段113でPWMのデューティ幅を制御している。このときは直流母線間の電圧が十分に高いため、位置検出手段112では誘起電圧からモータ106の位置を検出することができる。
次に、直流母線間の電圧がピーク付近から低下して、電圧判定手段114で予め設定し
ている閾値より高い状態から低い状態に入ったときについて、図3を用いて説明する。電圧判定手段114の閾値をここで、電流検出手段に電流が流れなくなる電圧を8Vとすると、電圧判定手段115の閾値の値を27Vとする。PWMのキャリア周期を5kHzとしたとき、3キャリアでの電圧の変化量の最大が27Vであるため、電圧は8V以下に落ち込む前に、本実施の形態1の制御を働かせることができる。ここでは電流検出手段に電流が流れなくなる電圧を8Vとしたが各構成によってこの値は異なる。
まず、直流母線間の電圧が閾値である27Vより高い状態から低い状態になったので、電圧判定手段115では制御手段114への出力を「高い」から「低い」に変更する。制御手段113でこのとき継続して、モータ106に印加する電圧が維持できるようデューティ幅を決定すると波形Aのように0V付近まで電圧が低下し、位置検出手段112で誘起電圧を観測することができなくなり位置を検出できない。
一方、制御手段113で、閾値より電圧が低いという情報をうけ取ったことで、モータ106を駆動するために必要なデューティ幅を決定するのではなく、モータ106の速度を保つために出力しようとしていたデューティ幅の半分のデューティ幅を出力する。ここで回生状態にならなければ、次のキャリアにおいて、出力を停止し、モータ106を回生状態で運転を行う。
これにより、モータ104は回生状態となり直流母線間の電圧が波形Bのように上昇し、波形Aのように0V付近まで低下することなく位置検出手段112での位置検出が可能となる。
デューティを減少させることで供給エネルギーが減少し、位相が遅れ側にずれる。弱め磁束状態で運転しているモータ104の誘起電圧が母線電圧より高いため、端子電圧が上昇する。デューティ幅を狭くするほど回生エネルギーが大きくなり、直流母線間の電圧の上昇が大きくなる。つまり出力を停止することで確実に誘起電圧を観測し位置を検出することができる。
また、デューティ幅を減少させる期間は予め設定しておき、今回は閾値の電圧を27Vの3キャリア分としたので倍の6キャリア分とする。
図4、図5を用いて電流の流れの詳細を示す。図4、図5はインバータ105の構成部品の詳細と電流の流れを示した電流の経路図である。
インバータ105は6個のスイッチ105a〜105fとスイッチ105a〜105fとは逆向きに接続されたダイオード105g〜105lの3相ブリッジ接続で構成されている。図4は通常のモータ106の位相に合わせて電流を流しているときの電流経路で、U相上のスイッチ105aがPWM出力のスイッチングをしており、V相下のスイッチ105eがONしている状態である。このとき電流は直流母線の正極側から電流が流れ、U相上のスイッチ105aを通り、モータ106を経由し、V相下のスイッチ105eを通り、直流母線の負極側へと流れていく力行となる。
ここで、デューティを減少させるとモータ104と直流母線間の電圧が逆転し、図5に示すように、U相下のダイオード105gと、V相上のダイオード105hをモータ104のインダクタンスによって電流が流れることとなる。
本実施の形態1では電圧低下時にデューティ幅を段階的に減少しているが、予め各状態に合わせて減少させるデューティを決定しておいても構わない。
以上のように、本実施の形態1においては、交流電源101から入力された交流を直流に整流する整流回路102と、整流回路102からの出力電圧が交流電源101の2倍の周波数で脈動するよう値を設定したコンデンサの値を決定した平滑手段103と、整流回路102より得られる直流を交流に変換するインバータ105と、インバータ105から得られる交流を入力とし、負荷を駆動するモータ106と、モータ106の位置を検出する位置検出手段112と、脈動する直流母線間の電圧が予め定めておいた閾値の電圧より低下したかどうかを判定する電圧判定手段114と、電圧判定手段114で判定された電圧が閾値よりも高いときは、位置検出手段112により検出されたモータの位置に合わせた通電パターンを出力し一回転中の回転速度が一定となるデューティをインバータ105に与え、電圧が閾値よりも低いときはデューティ幅をモータ106が回生状態になるまで低下させる制御手段を備えたものである。
かかる構成とすることにより、直流母線間の電圧が0V付近まで低下することがなくなり、平滑回路を構成するコンデンサの容量を極めて小さくしても、誘起電圧から位置を検出できることとなり、安定した駆動を行うことができる。
また、本実施の形態では、平滑手段103はコンデンサおよびリアクタで構成され、前記コンデンサおよび前記リアクタにより求められる共振周波数を、交流電源101の周波数の40倍以上になるよう設定したことにより、交流電源101の電流の高調波成分を抑制し、整流回路102への入力電流の電源高調波特性の高性能化を実現することが出来る。
また、本実施の形態では、モータ106の負荷を圧縮機108の圧縮機構としたもので、かかることにより、位置検出センサをつけることのできない用途での小容量のコンデンサによる圧縮機の安定駆動が可能となり、その結果、駆動装置の大幅な小型化を実現することができる。
また、本実施の形態では圧縮機108を、凝縮器109、減圧器110、蒸発器111等を備え、冷凍空調システムを構成する冷凍サイクルに用いたものである。
かかる構成とすることにより、小容量コンデンサで実現する小型の駆動装置が採用でき、これまで考えられていた以上の小型の冷凍空調システムが実現できる。このことは、冷蔵庫等の貯蔵装置に適用した場合、食品収納容積を大きく確保でき、また空気調和装置においても小型化が図れるものである。
また、本実施の形態では、前記圧縮機が圧縮する冷媒ガスを、R600aとしたもので、かかることにより、冷凍能力の低下を補うため、圧縮機の気筒容積が大きくでき、これに起因して圧縮機により大きなイナーシャを持たせることができ、より安定した起動および加速を行うことができるとともに、R600aを冷媒ガスとする環境負荷の小さい安価な圧縮機を提供することができる。
また、モータ106の負荷を、電気洗濯機の洗濯機構(図示せず)としたもので、かかることにより、前記モータの駆動装置の小型化に起因して従来の電気洗濯機と同じ外形寸法で洗濯兼脱水槽の大容量化が達成できる。
また、モータ106の負荷を、送風装置の送風機構(図示せず)としたもので、かかることにより、前記モータの駆動装置の小型化に起因して従来の送風装置機に比べて小型化および軽量化を達成することができ、可搬性の高い送風装置を提供することができる。
また、モータ106の負荷を、電気掃除機の吸塵機構(図示せず)としたもので、かか
ることにより、前記モータの駆動装置の小型化に起因して掃除機の小型・軽量化が可能となり、一層可搬性が高くユーザにとってハンドリングが容易な電気掃除機を提供することができる。
以上のように、本発明にかかるモータの駆動装置は、平滑コンデンサを大幅に小容量化した大きなリプル電圧がある場合でも、位置検出センサを用いることなく、効率を維持しつつ安定した電流供給が可能となり、しかもモータが停止することなく安定して駆動されるもので、圧縮機や電気洗濯機や電気乾燥機や電気掃除機のみならず小型のモータの駆動装置を必要とするAV機器(特に小型機器)等にも広く用いることができる。
101 交流電源
102 整流回路
103 平滑手段
104 高周波除去手段
105 インバータ
106 モータ
107 圧縮要素
108 圧縮機
109 凝縮器
110 減圧器
111 蒸発器
112 位置検出手段
113 制御手段
114 電圧判定手段

Claims (9)

  1. 交流電源と、前記交流電源から入力された交流を直流に整流する整流回路と、前記整流回路からの出力電圧が前記交流電源の2倍の周波数で脈動するよう値を設定したコンデンサの値を決定した平滑手段と、前記整流回路より得られる直流を交流に変換するインバータと、前記インバータから得られる交流を入力とし、負荷を駆動するモータと、前記モータにより誘起される電圧から前記モータの位置を検出する位置検出手段と、脈動する直流母線間の電圧が予め定めておいた閾値の電圧より低下したかどうかを判定する電圧判定手段と、前記電圧判定手段で判定された電圧が閾値よりも高いときは前記位置検出手段により検出されたモータの位置に合わせた通電パターンを出力し、前記モータの一回転中の回転速度が一定となるデューティを前記インバータに与え、電圧が閾値よりも低いときはデューティ幅を前記モータが回生状態になるまで低下させる制御手段を備えたモータの駆動装置。
  2. 前記平滑手段はコンデンサおよびリアクタで構成され、前記コンデンサおよび前記リアクタにより求められる共振周波数を、交流電源周波数の40倍以上になるよう設定したことを特徴とする請求項1に記載のインバータ装置。
  3. 前記負荷を、圧縮機の圧縮機構とした請求項1または2のいずれか一項に記載のモータの駆動装置。
  4. 前記圧縮機を、レシプロ型圧縮機とした請求項3に記載のモータの駆動装置。
  5. 前記圧縮機を、凝縮器、減圧器、蒸発器等を備え、冷凍空調システムを構成する冷凍サイクルに用いた請求項3または4のいずれか一項に記載のモータの駆動装置。
  6. 前記圧縮機が圧縮する冷媒ガスを、R600aとした請求項3から5のいずれか一項に記載のモータの駆動装置。
  7. 前記負荷を、電気洗濯機の洗濯機構とした請求項1に記載のモータの駆動装置。
  8. 前記負荷を、衣類等を攪拌乾燥する電気乾燥機の攪拌機構とした請求項1に記載のモータの駆動装置。
  9. 前記負荷を、送風装置の送風機構とした請求項1に記載のモータの駆動装置。
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