JP5098599B2 - 空気調和機の圧縮機用ブラシレスモータ駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、空気調和機の圧縮機用ブラシレスモータを対象にした、ブラシレスモータの減磁作用を防止する駆動装置に関するものである。

空気調和機の圧縮機用モータには、特に低コストが求められる場合にフェライト系磁石が採用されている。圧縮機用モータの負荷は一様でなく、冷凍サイクルに応じた周波数制御に加え、電源電圧変動などの外的要因により過大な負荷が生じる場合がある。このようなときには、モータ相電流（ステータ電流）に過大な電流が流れ、その過大電流によって発生する磁界により、ロータのフェライト磁石が減磁してしまうことがある。特にフェライト磁石は低温時において減磁が生じやすい特性を示し、常温時より低い電流値で減磁に至ってしまう。このため空気調和機の圧縮機駆動においては、冬季において減磁が生じやすい傾向となる。

その一方で空気調和機は、一般的に冷房時より暖房時の方が高い能力を要求されるため、暖房時の方が大きいモータ相電流が必要とされる。但し、電装品温度上昇の観点からは、冷房時より暖房時の方が許容されるモータ相電流の上限値は大きい。

従来、暖房時に高い能力を発揮させるための手段としては、ステータに流れる電流の電流制限閾値を、減磁電流を超えない範囲で温度検出手段によって検出される雰囲気温度が低くなるほど、大きく設定するという手段が用いられていた（例えば、特許文献１参照）。

図３は特許文献１に記載された従来の空気調和機の圧縮機用ブラシレスモータ駆動装置（ロータにはフェライト系磁石使用）を示すものである。また図４はモータ相電流の電流制限閾値の外気温度に対する特性を示すものである。図３において、７はブラシレスモータのステータに流れる電流を検出する電流センサであり、１８は室外機の雰囲気温度を検知する外気温度センサである。マイクロコンピュータから出力される各スイッチング素子へのゲート信号は、インバータ回路１６に入力され、ブラシレスモータの減磁電流を超えず、かつ電装品の温度過昇による熱破壊が発生しないように、電流センサが検知する電流値に対応して制限が設けられる。

図４に示すとおり、高い暖房能力が必要でかつ電装品温度上昇による熱破壊に至るまでの温度マージンが大きい低温時ではモータ相電流の電流制限閾値は大きく設定され、外気温度が高くなるほど電流制限閾値は小さく設定される。
特開２００５−６１７３６号公報

しかしながら、前記従来の構成では、低温になるほどブラシレスモータの減磁電流が小さくなるため、圧縮機運転時の外気温度が低くなるほど、減磁電流と電流制限閾値が近接
してしまう。そのため、低温時における暖房最大能力は、減磁電流により厳しく制限されてしまう。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、ステータの電流値がブラシレスモータの減磁電流を超えることを防止しながら、かつブラシレスモータの回転性能を最大限に利用した暖房または冷房能力を確保するために、減磁電流の温度特性を考慮した保護機能を有する駆動装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の空気調和機の圧縮機用ブラシレスモータ駆動装置は、２個のスイッチング素子を順方向に直列接続し、その相互接続点をインバータ出力端とするインバータアームを少なくとも３組備えた、空気調和機の圧縮機用ブラシレスモータのステータ巻線に電流を供給するインバータ手段と、前記インバータ手段に流れるＤＣ母線電流を検出し電圧値に変換する電流検出手段と、前記ブラシレスモータを駆動するために、前記電流検出手段の出力信号に応じて前記ブラシレスモータへのモータ相電流を演算する相電流演算手段と、前記相電流演算手段の出力に応じ前記ブラシレスモータのロータの磁極位置を推定するロータ磁極位置推定手段と、前記インバータ手段の上アーム及び下アームのそれぞれ少なくとも１相を通電し、通電する相の少なくともいずれかはＰＷＭ通電することによりロータ回転数を調整する制御手段とを備える空気調和機の圧縮機用ブラシレスモータの駆動装置において、前記ブラシレスモータが搭載される室外機圧縮機の外郭温度を検出する温度検出手段と、前記電流検出手段によって得られる電圧値と閾値電圧を入力端子に有し両者の電圧の大小に応じて２値の出力がなされる電圧比較手段と、前記電圧比較手段の出力に応じて前記駆動装置からのＰＷＭ信号を遮断し圧縮機を停止させる過電流保護手段と、前記相電流演算手段の出力に応じて前記駆動装置からのＰＷＭ信号パターンによって制御される圧縮機駆動周波数を下げてモータ相電流を抑制する電流制限手段を備えたものである。

前記過電流保護手段および電流制限手段が動作する閾値電流は、前記温度検出手段によって検出される温度が低いほど小さく設定されることにより、減磁電流が温度特性により変動してもステータ巻線へ流れる電流は減磁電流未満に抑制することができる。

本発明のブラシレスモータ駆動装置は、電流値の遮断すべき値を圧縮機外郭温度をもとに減磁電流の温度特性に対応させることにより、一律の値にするよりも圧縮機の負荷範囲を広げる事が可能となる。特に低外気温時の暖房最大能力を向上させることが可能となる。

第１の発明は、２個のスイッチング素子を順方向に直列接続し、その相互接続点をインバータ出力端とするインバータアームを少なくとも３組備えた、空気調和機の圧縮機用ブラシレスモータのステータ巻線に電流を供給するインバータ手段と、前記インバータ手段に流れるＤＣ母線電流を検出し電圧値に変換する電流検出手段と、前記ブラシレスモータを駆動するために、前記電流検出手段の出力信号に応じて前記ブラシレスモータへのモータ相電流を演算する相電流演算手段と、前記相電流演算手段の出力に応じ前記ブラシレスモータのロータの磁極位置を推定するロータ磁極位置推定手段と、前記インバータ手段の上アーム及び下アームのそれぞれ少なくとも１相を通電し、通電する相の少なくともいずれかはＰＷＭ通電することによりロータ回転数を調整する制御手段とを備える空気調和機の圧縮機用ブラシレスモータの駆動装置において、前記ブラシレスモータが搭載される室外機圧縮機の外郭温度を検出する温度検出手段と、前記電流検出手段によって得られる電圧値と閾値電圧を入力端子に有し両者の電圧の大小に応じて２値の出力がなされる電圧比
較手段と、前記電圧比較手段の出力に応じて前記駆動装置からのＰＷＭ信号を遮断し圧縮機を停止させる過電流保護手段と、前記相電流演算手段の出力に応じて前記駆動装置からのＰＷＭ信号パターンによって制御される圧縮機駆動周波数を下げてモータ相電流を抑制する電流制限手段を備え、前記過電流保護手段および電流制限手段が動作する閾値電流は、前記温度検出手段によって検出される温度が低いほど小さく設定される。

これにより、ブラシレスモータの減磁電流の温度特性による変化に対してもステータ巻線へ流れる電流は減磁電流未満に抑制し、前記過電流保護手段および電流制限手段が動作する閾値電流を一律の値にするよりも圧縮機の負荷範囲を広げる事が可能となる。特に低外気温時の暖房最大能力を向上させることが可能となる。

第２の発明は、前記温度検出手段を室外機熱交換器の吐出温度で代用することにより、圧縮機外郭温度センサが不要となり、センサ搭載に必要なコストを削減することが可能となる。

第３の発明は、前記電圧比較手段の閾値電圧を、駆動装置の制御電源とからの抵抗分圧回路出力により得て、前記抵抗分圧回路の高圧側または低圧側の抵抗に対して少なくとも１つ以上並列にスイッチ素子と抵抗とを直列接続した部分を備え、雰囲気温度に応じて前記スイッチ素子の開閉し閾値電圧を変動させることにより、抵抗とスイッチ素子という単純な構成により、電流値の遮断すべき値を減磁電流の温度特性に対応させ、一律の値にするよりもブラシレスモータの負荷範囲を広げることが可能となる。

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本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における空気調和機の圧縮機用ブラシレスモータ駆動装置の回路図を示すものである。

図１においてＡＣ電源１はＡＣ‐ＤＣ変換回路２によって直流電圧に変換され、それぞれ駆動回路とＩＧＢＴ，逆並列ダイオードで構成された２個のスイッチングモジュールＵ〜Ｗ、Ｘ〜Ｚを順方向に直列接続し、その相互接続点をインバータ出力端とする３組のインバータアーム１４〜１６で構成されるインバータ回路１７に接続されている。３組のインバータアームは、空気調和機の圧縮機用ブラシレスモータ３のステータ巻線に電流を供給している。

直流電源と３組のインバータアームとの間には、ブラシレスモータのステータ巻線へ流れる電流を検出する電流検出回路６が備えられている。ブラシレスモータ３に用いられている磁石はフェライト磁石を使用していることにより低温減磁の特性を持ち減磁電流は−２０℃１５Ａ、２０℃にて２０Ａである。また室外ユニットには圧縮機の外郭温度を検知する圧縮機温度センサ４が備えられており、圧縮機温度センサ４の出力はマイクロコンピュータ５に入力される。マイクロコンピュータ５の内部にはインバータを駆動するゲート信号Ｇ１〜Ｇ６を制御するための駆動信号制御部５−１とＤＣ電流検出回路６の出力に基づきモータ相電流を演算する相電流演算部５−２が内蔵されている。

マイクロコンピュータ５は、３組のインバータアーム１０〜１２に対してゲート信号Ｇ１〜Ｇ６を送信するために、各スイッチングモジュールＵ〜Ｚと通信線で接続されている。電流検出回路６の出力電圧は、電圧比較回路８の入力に接続されている。電圧比較回路８のもう一方の入力には、遮断電流閾値を設定するための分圧抵抗１０，１１，１２とスイッチ１３が接続されている。電圧比較回路の出力は、遮断電流閾値を超えたときにＨＩ
出力されるようになっており、マイクロコンピュータ５からのＰＷＭ信号を遮断し、マイクロコンピュータ５へ過電流保護発生信号を送信するインバータ過電流制御部９の入力に接続されている。

以上のように構成された空気調和機の圧縮機用ブラシレスモータについて、以下その動作、作用を説明する。

マイクロコンピュータ５からスイッチングモジュールＵ〜Ｚへのゲート信号Ｇ１〜Ｇ６は、駆動信号制御部５−２によって制御され、前記インバータ回路の上アーム及び下アームの１相または２相を通電し、通電する上アームの相はＰＷＭ通電しパルスのデューティ比によりロータ回転数を調整している。一般に負荷が大きいほどステータ巻線の電流は上昇し、ブラシレスモータ２の磁石が減磁する減磁電流に対するマージンが減少していく。

ステータ巻線の電流値が減磁電流を超さないように、２種類の過電流保護機能を有している。１つ目の保護はモータを回転させながらもモータ相電流を閾値未満に制限する電流制限機能であり、ＤＣ電流検出回路６の出力に基づき相電流演算部５−１にて演算されるモータ相電流をもとに、モータ相電流が閾値以上ではブラシレスモータ３の周波数を下げることによって達成される。

もう１つの保護はモータ相電流が閾値以上になった場合にブラシレスモータを保護停止させる過電流保護機能であり、ＤＣ電流検出回路６の出力が接続される電圧比較回路７において閾値電圧以上で出力信号がＨＩ出力となり、インバータ過電流保護制御部９が動作することにより達成される。両者の保護閾値レベルは部品バラツキに対してお互いが重なり合うことが無く、過電流保護閾値＞電流制限閾値となるよう設定される。電流制限閾値と過電流保護閾値は、スイッチ１３およびマイクロコンピュータ５により圧縮機温度センサ出力の値に応じて２つの閾値が設定可能である。

図２に圧縮機温度に対する減磁電流特性と電流制限及び過電流保護閾値の関係を示す。図２に示すとおり、圧縮機温度センサ４の出力に対しマイクロコンピュータ５は２５℃を境目に２５℃以上ではスイッチ１２をＯＦＦすることにより過電流保護閾値は１９Ａ、２５℃未満ではスイッチ１２をＯＮすることにより過電流保護閾値は１４Ａに設定されている。また、マイクロコンピュータ５内で設定される電流制限閾値は、２５℃以上では１６Ａ、２５℃未満ではスイッチ１２をＯＮすることにより電流制限閾値は１１Ａに設定されている。

外気温度−１０℃において空気調和機が運転を開始した場合、起動後３分間は圧縮機温度センサ４の出力は２５℃未満のため、電流制限閾値は１１Ａとなりモータ相電流の最大値は１１Ａ未満に制限されてしまうが、起動３分後以降は過電流保護閾値及び電流制限閾値がＨＩ側に移行するため、モータ電流の最大値は１６Ａまで上昇させることができる。これにより約４５％の入力電流アップを図ることができ、暖房能力の向上が達成できる。

以上のように、本実施の形態においては、モータ相電流の遮断すべき値を減磁電流の温度特性に対応させることにより、一律の値にするよりもブラシレスモータの負荷範囲を広げることが可能となる。

以上のように、本発明にかかる圧縮機用ブラシレスモータ駆動装置は、負荷範囲を最大限に生かしながら、減磁電流に対する保護を達成することが可能であり、空気調和機以外にも、燃料電池に代表される直流を電源とする電気自動車等におけるブラシレスモータの用途等にも適用できる。

、本発明の実施の形態１における空気調和機の圧縮機用ブラシレスモータ駆動装置の回路図 過電流保護及び相電流制限閾値が２段階の切替え閾値を持つ場合の圧縮機温度に対する圧縮機減磁電流、過電流保護及び相電流制限閾値の関係図 従来の空気調和機の圧縮機用ブラシレスモータ駆動装置の回路図 従来の空気調和機の圧縮機用ブラシレスモータ駆動装置における外気温度に対する圧縮機減磁電流、過電流保護及び相電流制限閾値の関係図

１ ＡＣ電圧源
２ ＡＣ−ＤＣ変換回路
３ 圧縮機駆動用ブラシレスモータ
４ 圧縮機温度センサ
５ マイクロコンピュータ
５−１ 相電流演算部
５−２ 駆動信号制御部
６ ＤＣ電流検出回路
７ ＡＣ電流検出回路
８ 電圧比較回路
９ インバータ回路過電流制御部
１０ 電流遮断閾値設定用高圧側分圧抵抗
１１ 電流遮断閾値設定用低圧側分圧抵抗
１２ 低外気温時電流遮断閾値設定用分圧抵抗
１３ 低外気温時電流遮断閾値設定用スイッチ
１４、１５，１６ インバータアーム
１７ インバータ回路
１８ 外気温度センサ
Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚ スイッチングモジュール
Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４，Ｇ５，Ｇ６ ゲート信号

Claims (3)

1. ２個のスイッチング素子を順方向に直列接続し、その相互接続点をインバータ出力端とするインバータアームを少なくとも３組備えた、空気調和機の圧縮機用ブラシレスモータのステータ巻線に電流を供給するインバータ手段と、前記インバータ手段に流れるＤＣ母線電流を検出し電圧値に変換する電流検出手段と、前記ブラシレスモータを駆動するために、前記電流検出手段の出力信号に応じて前記ブラシレスモータへのモータ相電流を演算する相電流演算手段と、前記相電流演算手段の出力に応じ前記ブラシレスモータのロータの磁極位置を推定するロータ磁極位置推定手段と、前記インバータ手段の上アーム及び下アームのそれぞれ少なくとも１相を通電し、通電する相の少なくともいずれかはＰＷＭ通電することによりロータ回転数を調整する制御手段とを備える空気調和機の圧縮機用ブラシレスモータの駆動装置において、前記ブラシレスモータが搭載される室外機圧縮機の外郭温度を検出する温度検出手段と、前記電流検出手段によって得られる電圧値と閾値電圧を入力端子に入力し両者の電圧の大小に応じて２値の出力がなされる電圧比較手段と、前記電圧比較手段の出力に応じて前記駆動装置からのＰＷＭ信号を遮断し圧縮機を停止させる過電流保護手段と、前記相電流演算手段の出力に応じて前記駆動装置からのＰＷＭ信号パターンによって制御される圧縮機駆動周波数を下げてモータ相電流を抑制する電流制限手段を備え、前記過電流保護手段および電流制限手段が動作する閾値電流は、前記温度検出手段によって検出される温度が低いほど小さく設定されることを特徴とする空気調和機の圧縮機用ブラシレスモータ駆動装置。
2. 前記温度検出手段を室外機熱交換器の吐出温度センサで代用することを特徴とする請求項１に記載の空気調和機の圧縮機用ブラシレスモータ駆動装置。
3. 前記電圧比較手段の閾値電圧は、駆動装置の制御電源からの抵抗分圧回路の出力により得られ、前記抵抗分圧回路の高圧側または低圧側の抵抗に対して少なくとも１つ以上並列にスイッチ素子と抵抗とを直列接続した部分を備え、圧縮機外郭温度に応じて前記スイッチ素子を開閉し閾値電圧を変化させることにより前記過電流保護手段が動作する閾値電流を切り替えることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の空気調和機の圧縮機用ブラシレスモータ駆動装置。

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