JP2008160950A - モータ駆動装置およびこれを具備した冷蔵庫 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータ駆動制御における高効率、高トルク運転、高速駆動が可能なモータ駆動装置を提供する。
【解決手段】永久磁石を有する回転子と三相巻線を有する固定子からなるブラシレスＤＣモータ６と、前記三相巻線に電力を供給するインバータ５を有し、矩形波または正弦波あるいはそれに準じる波形を、通電角６０度以上１８０度未満の範囲で、ＰＷＭデューティが最大となるように出力することで、インバータ５のスイッチング損失を低減し、モータ駆動装置の高効率化を図るものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、ブラシレスモータをインバータにより駆動制御するモータ駆動装置およびこれを具備した冷蔵庫に関するものである。

図８は、ブラシレスＤＣモータを駆動する従来のインバータ装置を示すシステム構成図である。図８に示されるように従来のインバータ装置は、商用電源２０１を入力として交流を直流に変換するコンバータ２０２と、前記コンバータの出力である直流を擬似交流に変換するインバータ２０３を具備し、インバータ２０３の出力を入力としてブラシレスＤＣモータ２０４が駆動される構成となっている。

図９は、従来のインバータ装置におけるブラシレスＤＣモータ２０４への通電タイミング波形を示しており、（ａ）はブラシレスＤＣモータ２０４のＵ相の通電タイミング波形で、（ｂ）は回転子の回転によって固定子巻線に発生する誘起電圧波形であり、回転子の永久磁石と、界磁巻線が正対する角度を０°と１８０°として、０°と１８０°を中心として、ＰＷＭデューティ幅によらず１２０°以下に通電幅を制御することで、インバータ部のスイッチング回数を減らしてモータの電力制御を行い、インバータシステムの効率を向上している。
特開平９−１９１６８３号公報

しかしながら、上記従来の構成では、ブラシレスＤＣモータ２０４への電力供給が１２０°以下の通電角であるため、高負荷・高速駆動が必要な用途では、トルク不足により所定の回転数を確保できないという課題を有していた。

また、通電タイミングは、回転子の永久磁石と界磁巻線が正対する角度を中心とした対象波形であり、誘起電圧位相と電流位相とが一致した状態で駆動することになるため、永久磁石が固定子内部に埋め込まれた埋め込み磁石型モータ等突極性を有するモータに対して、リラクタンストルクを有効に利用することができず、マグネットトルクを主に利用した駆動となって高トルク駆動ができないという課題を有していた。さらに、電流位相と誘起電圧位相とが一致した状態で駆動では弱め磁束制御ができず、高速駆動が制限される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、高効率、高トルク、高速駆動が可能なモータ駆動装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明のモータ駆動装置は、ブラシレスＤＣモータと、前記ブラシレスＤＣモータに電力を供給するインバータを有し、前記インバータは通電角９０度以上１８０度未満の矩形波または正弦波あるいはそれに準じる波形を出力することで、ブラシレスＤＣモータの電力利用率が上がり、高トルク、高速駆動が可能となる。

さらに、ＰＷＭデューティが最大となるようにインバータがブラシレスＤＣモータに電力を供給することで、インバータのスイッチングロスおよびモータ鉄損を低減でき、高効率なモータ駆動装置を提供することができる。

本発明のモータ駆動装置は、ブラシレスＤＣモータの高トルク、高速駆動が可能となり、インバータおよびモータの損失を低減し、高効率なモータ駆動装置を提供することができる。

さらに本モータ駆動装置によって冷蔵庫の圧縮機を駆動することで、消費電力の少ない冷蔵庫を提供することができる。

請求項１に記載の発明は、永久磁石を有する回転子と三相巻線を有する固定子からなるブラシレスＤＣモータと、前記三相巻線に電力を供給するインバータと、通電角が６０度以上１８０度未満の矩形波または正弦波あるいはそれに準じる波形を出力する波形生成手段を具備し、前記波形生成手段で生成される波形出力により前記ブラシレスＤＣモータを駆動するものである。

かかることにより、ブラシレスＤＣモータの電力利用率を高めることができ、ブラシレスモータを高トルク・高速回転が可能となるモータ駆動装置を提供することができる。

請求項２に記載の発明は、前記ブラシレスＤＣモータの起動時は、９０°以上１８０度未満の範囲にある任意の通電角で起動するようにしたものである。

かかるＰＷＭデューティ制御を行うことにより、起動時に過電流等の発生を防ぐことで、回路の過電流による故障やブラシレスＤＣモータの永久磁石の減磁等を防止することができ、信頼性を向上することができる。

請求項３に記載の発明は、起動後ＰＷＭデューティが所定の幅になったとき、そのときの通電角とデューティ幅からＰＷＭデューティ幅が最大となる通電角を決定し、前記ブラシレスＤＣモータへ通電するものである。

かかることにより、インバータのスイッチング損失およびモータ鉄損を低減することができ、モータ駆動装置の効率化をはかることができる。

請求項４に記載の発明は、前記ブラシレスＤＣモータの実回転速度と目標とする速度に差がある場合、ＰＷＭデューティを最大状態として通電幅を６０°以上１８０度未満の範囲で可変、出力して前記ブラシレスＤＣモータの速度制御を行うものである。

かかることにより、ブラシレスＤＣモータへの印加電圧を変化して速度制御を可能とするとともに、広い負荷範囲および速度範囲にわたり高い効率でモータを駆動制御することができる。

請求項５に記載の発明は、前記ブラシレスＤＣモータの所定の相への印加電圧と、同相の誘起電圧との位相差を０度以上９０度未満の範囲としたものである。

かかることにより、前記ブラシレスＤＣモータの誘起電圧位相より電流位相を進めることが可能となり、弱め磁束制御によってさらに高速駆動を行うことができる。

請求項６に記載の発明は、前記ブラシレスＤＣモータを、回転子の鉄心に永久磁石を埋め込み、かつ突極性を有する構成としたものである。

このように、ブラシレスＤＣモータの回転子の鉄心に永久磁石を埋め込み、突極性を有する回転子を用いて最適な電流位相を選択し、駆動することで、ブラシレスＤＣモータの用途に適した最高効率運転、最高トルク運転等が行えるものである。

請求項７に記載の発明は、前記ブラシレスＤＣモータにより、冷凍サイクルを形成する圧縮機を駆動するもので、効率の高い冷却システムを提供することができる。

請求項８に記載の発明は、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のモータ駆動装置を具備した冷蔵庫とするもので、冷蔵庫の冷却システム効率を上げることができ、冷蔵庫の消費電力を低減することができる。

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、本実施の形態により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におけるモータ駆動装置のブロック図である。

図１において、交流電源１は商用電源であり、日本国内の場合は、ＡＣ１００Ｖ、５０または６０Ｈｚが標準である。

コンバータ２は、４個のダイオード３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄをブリッジ接続した整流回路３と、この整流回路３の出力である脈動を含む整流電圧を平滑する平滑回路４によって構成されている。

インバータ５は、スイッチング素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆと逆向きに接続されたダイオード５ｇ、５ｈ、５ｉ、５ｊ、５ｋ、５ｌをセットにした回路を６回路３相ブリッジ接続した構成である。なお本実施の形態ではＦＥＴとしているが、インバータ５は、ＩＧＢＴでもバイポーラトランジスタでも構わない。さらにスイッチング素子に、一般的なシリコン系半導体の代わりに、炭化珪素系や窒化ガリウム系の半導体を採用すれば、スイッチ素子オン時の損失を大幅に低減することができる。

モータ６は、インバータ５の３相出力により駆動される。モータ６は、巻線が３相スター結線に施された固定子と、永久磁石を有した回転子によって構成されたブラシレスＤＣモータである。前記固定子の巻線は、集中巻あるいは分布巻であっても構わない。また、回転子の永久磁石の配置は、表面磁石型（ＳＰＭ）あるいは磁石埋め込み型（ＩＰＭ）であっても構わないが、本実施の形態では、集中巻ＩＰＭモータとしている。

モータ６に取付けられた位置検知器７は、エンコーダ等の位置センサであり、固定子の位置情報および速度情報を位置検出手段８へ出力する。位置検出手段８は入力された固定子の位置および速度情報から固定子の位置と、現在の駆動速度を認識し、波形生成部９へ出力する。

波形生成部９では、位置検出手段８の入力を受け、擬似交流によりモータ６を所定の速度で駆動するようにインバータ５のスイッチング素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆのオン・オフ制御を行う。

次に、モータ６の回転子の構造について説明する。

図２は、本発明の実施の形態１におけるブラシレスＤＣモータの回転子の模式図である。

図２において、６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄは永久磁石であり、図に示すような極性となるように配置されている。なお、このロータは２極対の４極モータ構成であるが、固定子巻線のスロット数により永久磁石を６個配置した所謂６極モータ等であっても構わない。さらに永久磁石は、フェライト系あるいは希土類系であっても構わない。

また６ｅは珪素鋼板であり、６ｆ、６ｇ、６ｈ、６ｉ、６ｊ、６ｋ、６ｌ、６ｍは非磁性体を示している。

図２に示すように、本実施の形態１におけるブラシレスＤＣモータは、回転子内部に永久磁石を埋め込んだ埋め込み磁石モータ（以下ＩＰＭモータ）であり、固定子巻線に所定方向の電流を流したときにつくるｄ軸方向の磁束の磁路Ψｄには、エアギャップと同じ磁気抵抗の大きな永久磁石が存在しており、磁束は通りにくいが、ｑ軸方向の磁束Ψｑは珪素鋼板中を通るため磁気抵抗は小さく、ｄ軸方向のインダクタンスがｑ軸方向のインダクタンスより小さい突極性を有する。

図３は、本実施の形態１におけるモータのトルク・進角特性を示す図であり、進角すなわち電流の位相によってモータトルクが変化すことを示している。

このように突極性を有するブラシレスＤＣモータにおいては、固定子の位置に応じて電流位相や振幅を最適に制御することで、最大トルク駆動や最高効率駆動、弱め磁束制御等、用途に応じた最適な制御が可能となることは一般的に知られている。

次に、図４を参照しながら前記ブラシレスＤＣモータへの通電タイミングについて説明する。

図４は、本発明の実施の形態１におけるモータへの電圧印加タイミングを示す説明図である。

本実施の形態１においては、位置センサ７と位置検出手段８により回転子の位置を検出するようにし、波形生成部９によってモータ６の負荷状態や速度、用途に応じて図４に示すようにタイミングを設定している。

すなわち、誘起電圧（ｂ）位相に対し、モータ６の負荷状態、速度あるいは用途等に応じて０°〜９０°の範囲で位相が進んだ電圧（ａ）をインバータ５に印加することで、進角を０°から９０°の範囲で制御するようにしてモータ６を最適に駆動している。

この種のモータ駆動装置における駆動の損失は、主にコンバータ２、インバータ５、モータ６で発生するもので、インバータ５ではスイッチング素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆのＯＮ／ＯＦＦ動作に伴うスイッチングロスと、スイッチング素子のＯＮ時の電圧降下に伴うオンロスが主な損失であり、モータ６では鉄損と銅損が主な損失となっている。

本実施の形態１では、波形生成部９はＰＷＭデューティ幅が最大となるように通電幅を調整してモータの速度制御を行っているので、インバータ５のスイッチング回数が非常に少ない。また、スイッチング素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆに炭化シリコン系または窒化ガリウム系半導体を用いることで、インバータ損失を大幅に低減できる結果、インバータ効率を大幅に向上することができる。

以上の様に構成されたモータ駆動装置について、以下その動作および作用について説明する。

図５は、本発明の実施の形態１のモータ駆動装置におけるモータ起動時のフローチャートである。

図５において、ｓｔｅｐ１０１でモータの起動指示を待ち、起動指示があった場合ｓｔｅｐ１０２に進み、９０°以上、１８０°未満の所定の通電角（本実施の形態１では１２０°とする）でモータ６の起動を行う。

この時、モータ起動時および起動直後の低速駆動時に通電角を小さくして無通電期間を大きくすることが考えられる。かかる場合は、モータイナーシャが小さいために起動不良（モータ脱調）の可能性が伴う。さらに、起動時の通電角を例えば６０°通電というように小さくし、ＰＷＭデューティ幅を、例えば１２０°通電における起動デューティ幅が５％の場合、６０°通電では１０％とするように大きくすることも考えられるが、モータの起動時はモータ誘起電圧がないため、モータ巻線に過電流が流れ、固定子永久磁石の減磁の危険性も有することになる。

しがたって、本実施の形態１においては、ｓｔｅｐ１０２でモータ６への通電角を１２０°と定めた後は、ｓｔｅｐ１０３でデューティ幅を調整し、ｓｔｅｐ１０４で通電角、デューティ幅が所定値に調整される。その結果、起動時は１２０°通電で駆動することで安定した駆動を実現し、装置の信頼性を向上することができる。

図６は、本発明の実施の形態１の波形生成部における通電幅および通電率を決定するフローチャートである。

図６において、ｓｔｅｐ１１１で位置センサ７および位置検出手段８から現在の駆動速度を検出して、指令された速度で駆動しているか否かを判断する。その結果、モータ６の現在速度が指令速度と一致している場合については、ｓｔｅｐ１１２で通電率および通電角を保ち、モータ駆動を続ける。

また、ｓｔｅｐ１１１において駆動速度と指令速度に差がある場合（即ち加速または減速が必要な場合）はｓｔｅｐ１１３へ移行し、ここで現在の通電角が最小通電角（たとえば６０°）状態かを判断し、最小通電角より大きい通電角で駆動している場合はｓｔｅｐ１１４において、通電角制御を行う。具体的には、駆動速度が指令速度より速ければ通電角を減少し、駆動速度が指令速度より遅ければ通電角を増加する制御を行う。

またｓｔｅｐ１１３で通電角が最小通電角である場合、ｓｔｅｐ１１５へ移行し、ここでデューティ制御を行う。具体的には、駆動速度が指令速度より速ければデューティを減少し、駆動速度が指令速度より遅ければデューティを増加する制御を行い、ｓｔｅｐ１１６に進む。

このように最小通電角を設けることで、モータ６への無通電期間を極端に長く取らないようにして無通電区間の長時間化による速度変動による振動増大を防止している。

そして、ｓｔｅｐ１１６ではデューティ幅が最大（たとえば１００％）か否かを確認し、最大デューティで無い場合は、ｓｔｅｐ１１１に戻り、前述の動作を繰り返す。またモータ６の加速が必要な場合で、デューティ制御（デューティ増加）によって最大デューティ幅に達した場合は、ｓｔｅｐ１１７で通電角制御を行い、モータの回転を指令回転数に近づけるように速度制御を行う。

このように、波形生成部９は、デューティが最大となるような波形でインバータ５のスイッチングが少なくなるようにモータ６を駆動するこことで、インバータ５の損失を低減している。さらにＰＷＭのデューティ幅を大きくすることと、スイッチング回数を減らすことは、ＰＷＭスイッチングによるモータ電流の脈動が抑制されることになり、モータの鉄損も低減され、モータ駆動装置の高効率化をはかることができる。

以上の様に本実施の形態においては、永久磁石を有する回転子と三相巻線を有する固定子を具備したモータ（ブラシレスＤＣモータ）６と、前記三相巻線に電力を供給するインバータ５を有し、通電角６０度以上１８０度未満の矩形波または正弦波あるいはそれに準じる波形を出力するので、モータ６の電力利用率を高めることができ、モータ６を高トルク・高速回転で運転できるモータ駆動装置を提供することができる。

また、本実施の形態１におけるモータ６の起動時は、９０°以上、１８０°未満の任意の通電角での起動とすることで、モータ６の確実な起動の実現と装置の信頼性を向上している。

さらに、本実施の形態１では、ＰＷＭデューティが最大となるような通電角でブラシレスＤＣモータを駆動するようにしたので、インバータ５のスイッチング損失およびモータ鉄損の低減をはかることができ、高効率なモータ駆動装置を提供することができる。

さらに、ＰＷＭデューティが最大の状態で、ブラシレスＤＣモータ回転速度と目標とする速度に差がある場合、通電角を６０度から１８０度未満の範囲で変えることでモータ６への印加電圧を可変し、ブラシレスＤＣモータの速度制御を可能として広い負荷範囲および速度範囲にわたって高い効率が得られるモータ駆動装置を提供することができる。

また、本実施の形態１では、ブラシレスＤＣモータの所定の相への印加電圧と、同相の誘起電圧との位相差は０度以上９０度未満とすることで、ブラシレスＤＣモータの誘起電圧位相より電流位相を進めることが可能となるため、弱め磁束制御によりさらなる高速駆動が可能となる。

さらに、ブラシレスＤＣモータに回転子の鉄心に永久磁石を埋め込んだ突極性を有するモータ６を用い、最適な電流位相を選択し駆動することで、最高効率運転、最高トルク運転等が可能であり、用途に合った最適な駆動を行うことができる。

（実施の形態２）
次に、上記実施の形態１に示すモータ駆動装置を具備した冷蔵庫について説明する。ここで、先の実施の形態１と同じ構成要件については同一の符号を付して説明する。

図７は、本発明の実施の形態２における冷蔵庫のブロック構成図である。

図７において、圧縮要素１０は、モータ（ブラシレスＤＣモータ）６の回転子の軸に連結されており、モータ６によって駆動され、冷媒ガスを吸入し、圧縮して吐出する。このモータ６と圧縮要素１０とを同一の密閉容器に収納し、圧縮機１１を構成している。

圧縮機１１で圧縮された吐出ガスは、凝縮器１２、減圧器１３、蒸発器１４を通って圧縮要素１０の吸い込みに戻る循環を行い、冷凍空調システムを形成している。凝縮器１２では放熱を、蒸発器１４では吸熱を行うので、冷却や加熱を行うことができる。尚、必要に応じて凝縮器１２や蒸発器１４に送風機等を付加し、熱交換をさらに促進することもある。

本実施の形態２は、冷蔵庫の庫内１５を蒸発器１４により冷却する構成としている。また位置推定手段１６は、ブラシレスＤＣモータの回転子の相対位置を推定するものである。

このように本実施の形態２では、モータ６が圧縮要素１０を駆動するため、その動作環境は密閉された高温冷媒雰囲気内でかつ高温のオイルに晒された非常に厳しい条件にある。

したがって固定子の位置検出にエンコーダやホールセンサといった位置センサを設けることは部品の信頼性に課題を有することになる。よって本実施の形態２では、モータ６の相電流を位置推定手段１６に入力し、これによって位置推定手段１６は電流を基に回転子の相対位置を推定して、波形生成部９に出力する。

その結果、波形生成部９は、位置推定手段１６によって推定した固定子位置をもとに６０°以上１８０°未満の矩形波または正弦波あるいはそれに準じる波形を生成してインバータ５に出力することができ、センサレス駆動が可能となる。

なお本実施の形態２では、回転子位置の推定にモータ６の相電流から推定するように構成しているが、電流センサによる電流値検出あるいは、インバータ５の下側スイッチング素子５ｂ、５ｄ、５ｆと直列に挿入したシャント抵抗を流れる電流値検出等、どのような電流検出方法でも構わない。

さらに固定子の位置推定方法として、インバータ母線Ｌ１、Ｌ２に流れる電流をシャント抵抗から検出する方法や、インバータ６の出力端子に現れるモータ誘起電圧から検出する方法等、様々な方式が提唱されているが、固定子の位置が推定できる方式であれば、どのような方式を用いても構わない。

本発明のモータ駆動装置は、通電角が１２０°未満となった場合、ブラシレスＤＣモータへ電力が供給されない期間が発生し、この期間はモータ６が自らの回転による慣性力により回転することになる。

本実施の形態２では、モータ６が圧縮機１１を駆動するものであり、慣性が非常に大きいという特徴を持っている。したがって、１２０°未満の通電角での駆動でモータ６に電力が供給されない期間があった場合でも、その慣性力によりモータ６の速度変動はほとんど無く安定した駆動特性が得られることから、圧縮機（特に往復動式圧縮機）１１は、本発明のモータ駆動装置の対象用途として非常に適した一つであると言える。

以上の様に本実施の形態２では、モータ６を、冷凍サイクルを形成する圧縮機の駆動用とすることで効率の高い冷却システムを提供することができる。

さらに冷却システムを冷蔵庫に採用することで、冷却システムの効率を上げることができ、その結果、冷蔵庫の消費電力を低減することができる。

以上のように本発明によるモータ駆動装置は、高効率なモータ駆動装置を提供できるので、空調機や洗濯機、掃除機をはじめとするモータを使用した家電機器や、ＤＶＤプレーヤー等のＡＶ機器、さらには油圧ポンプ等の産業機器等、ブラシレスＤＣモータを使用した幅広い機器への適用が可能となるものである。

本発明の実施の形態１におけるモータ駆動装置のブロック図 同実施の形態１におけるブラシレスＤＣモータの回転子の模式図 同実施の形態１におけるモータのトルク・進角特性図 同実施の形態１におけるモータへの電圧印加タイミングを示す説明図 同実施の形態１におけるモータ起動時のフローチャート 同実施の形態１における波形生成部での動作フローチャート 本発明の実施の形態２における冷蔵庫のブロック構成図 従来のモータ駆動装置のシステム構成図 従来のモータ駆動装置の電圧印加タイミング波形図

符号の説明

５ インバータ
６ モータ（ブラシレスＤＣモータ）
８ 位置検出手段
９ 波形生成部
１１ 圧縮機
１５ 冷蔵庫
１６ 位置推定手段

Claims (8)

1. 永久磁石を有する回転子と三相巻線を有する固定子からなるブラシレスＤＣモータと、前記三相巻線に電力を供給するインバータと、通電角が６０度以上１８０度未満の矩形波または正弦波あるいはそれに準じる波形を出力する波形生成手段を具備し、前記波形生成手段で生成される波形出力により前記ブラシレスＤＣモータを駆動するモータ駆動装置。
2. 前記ブラシレスＤＣモータの起動時は、９０°以上１８０度未満の範囲にある任意の通電角で起動するようにした請求項１に記載のモータ駆動装置。
3. 起動後ＰＷＭデューティが所定の幅になったとき、そのときの通電角とデューティ幅からＰＷＭデューティ幅が最大となる通電角を決定し、前記ブラシレスＤＣモータへ通電する請求項１または請求項２に記載のモータ駆動装置。
4. 前記ブラシレスＤＣモータの実回転速度と目標とする速度に差がある場合、ＰＷＭデューティを最大状態として通電幅を６０°以上１８０度未満の範囲で可変、出力して前記ブラシレスＤＣモータの速度制御を行う請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。
5. 前記ブラシレスＤＣモータの所定の相への印加電圧と、同相の誘起電圧との位相差を０度以上９０度未満の範囲とした請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。
6. 前記ブラシレスＤＣモータを、回転子の鉄心に永久磁石を埋め込み、かつ突極性を有する構成とした請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。
7. 前記ブラシレスＤＣモータにより、冷凍サイクルを形成する圧縮機を駆動する請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。
8. 請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のモータ駆動装置を具備した冷蔵庫。

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