CN103973175A - 电动机驱动装置、无刷电动机以及电气设备 - Google Patents

Abstract

提供电动机驱动装置、无刷电动机以及电气设备。本电动机驱动装置是对电动机的电感负载施加驱动电力来使电动机进行旋转动作的电动机驱动装置。在本电动机驱动装置中，从直流电源输出的电源电压施加到逆变器部的正负各自的电源输入端，并且该电源电压还施加到电容器部，在逆变器部的输出侧连接电感负载。而且，电容器部是将多个电容器串联连接所得的结构。

Description

电动机驱动装置、无刷电动机以及电气设备

技术领域

本发明涉及一种供于空气调节器的鼓风扇等电气设备的电动机驱动装置、无刷电动机，特别涉及一种包括防止由直流电源与逆变器部的连接状况不佳所导致的破坏和故障的功能的电动机驱动装置、无刷电动机以及电气设备。

背景技术

以往的电动机驱动装置具备向电动机等感性负载提供驱动电力的逆变器部。该逆变器部是从直流电源被提供直流电力的。而且，在被提供该直流电力的直流电源输入端的正负之间设置有电容器(capacitor)(例如参照日本专利特开2011-41471号公报)。电容器是以如下目的而设置的：减轻随着逆变器部的开关元件的动作而产生的电压变动、噪声。一般来说，直流电源经由连接器(connector)等连接单元与电动机驱动装置等的逆变器部连接。

连接器一般在直流电源的输出电压为零或者减小至充分小的值的状态下与直流电源进行连接。之后，使直流电源的输出电压增大到额定电压来进行逆变器部的运转。另外，连接器的断开是在使直流电源的输出电压从额定电压变为零、或者减小至充分小的值的状态下进行的。

在大量生产的这些电动机驱动装置中，还存在以下的情况：由于接触不良、人为失误、电源的机器错误等，在直流电压为额定电压或者与其相近的值的状态下直接连接连接器等连接单元。因此，存在逆变器部发生故障这样的问题。

图7是表示以往的电动机驱动装置210的框图。该以往的电动机驱动装置210具备逆变器部2和电容器部300。

在图7中，输出电源输出电压V_DCout的直流电源1的正负的输出电压经由连接部5电连接于向逆变器部2的直流电源输入端子Tv、Tg。代表连接部5的有连接器。在正的输入端子Tv与负的输入端子Tg之间设置有电容器C1作为电容器部300。另外，逆变器部2的驱动输出连接于电动机400所具备的绕组、即电感负载4。在图中，为了便于说明，以开闭器SW1、SW2来表示连接部5。并且，在图7中，作为直流电源输入中的等效电路，示出了等效电感成分Lv。

另外，图8是电容器C1的等效电路图。从图8可知，实际的电容器不仅具有静电电容Cs，还具有电感成分Ls、电阻成分Rs。

接着，使用图9的特性图来说明如上那样构成的以往的电动机驱动装置210的动作。

图9的(a)表示从直流电源1输出的电源输出电压V_DCout，示出了该电源输出电压V_DCout为电压V_DC0伏特的情况。在此，电压V_DC0伏特是电动机驱动装置210的额定电压。另外，图9的(b)表示向电容器C1的充电电流I_DC。另外，图9的(c)表示输入端子Tv处的电压、即电动机输入电压V_DCin。

在图9中，在作为初始状态的时刻t=t₀，连接部5的开闭器SW1、SW2处于断开状态，电动机输入电压V_DCin为0伏特。

接着，当在时刻t=t₁连接部5的开闭器SW1、SW2变为闭合状态时，从直流电源1向电容器C1流通充电电流I_DC，电容器C1被充电，电动机输入电压V_DCin增大。在此，如上所述，在从直流电源1到输入端子Tv的电源提供线上，存在等效的电感成分Lv。因此，根据充电电流I_DC的变化率di/dt与电源提供线上的电感成分Lv之积，电动机输入电压V_DCin超过电压V_DC0伏特而过大地增大。然后，在时刻t=t₂，电动机输入电压V_DCin产生峰值电压，该峰值电压为超过了额定电压V_DC0伏特的电压V_DCp1伏特。之后，为了收敛到额定电压V_DC0，电容器C1放电。在时刻t=t₃以后，电源输出电压V_DCout和电动机输入电压V_DCin收敛到电压V_DC0伏特。

这样，在以往的电动机驱动装置210中，存在以下问题：会产生如电压V_DCp1伏特那样的峰值电压。而且，当该峰值电压超过逆变器部2的绝对最大额定电压V_DCmax时，会致使逆变器部被破坏。

特别是在近年，作为使用于电子电路的电容器，广泛使用小型且电阻成分小而高频特性也优良的积层陶瓷电容器。但是，在将该小型的积层陶瓷电容器用作上述的电容器C1的情况下，虽然适于装置的小型化，但是由于电阻成分Rs比较小，因此充电电流I_DC的变化率di/dt变大，会发生因上述的问题引起的故障。

因此，使用了电阻成分Rs比较大的电解电容器。但是，与积层陶瓷电容器相比，电解电容器一般为大型，也不适合表面安装，会产生电动机驱动装置的小型化变得困难这样的新问题。另外，虽然还存在串联地插入电阻这样的方法，但是需要容许损耗大的部件，会产生同样的问题。

发明内容

本发明是为了解决这种以往的问题而完成的，其目的在于防止由于通过从直流电源流向设置于逆变器部的直流电源输入端的电容器的充电电流所产生的过大电压而导致逆变器部破坏和故障。

本发明的电动机驱动装置对电动机的电感负载施加驱动电力来使电动机进行旋转动作。在本电动机驱动装置中，从直流电源输出的电源电压施加到逆变器部的正负各自的电源输入端，并且该电源电压施加到电容器部，在逆变器部的输出侧连接电感负载。而且，电容器部是将多个电容器串联连接所得的结构。

根据该结构，电容器部的电阻成分Rs成为电容器连接个数倍，由此抑制了流向电容器的充电电流I_DC的变化率di/dt。由此，能够减小基于电源提供线上的电感成分Lv与变化率di/dt之积的电压上升。因此，能够防止逆变器部的破坏。

由于能够使电容器部的电阻成分Rs为电容器连接个数倍，因此也能够利用电阻成分Rs小的积层陶瓷电容器。即，如积层陶瓷电容器那样的小型部件即可，也能够有助于可靠性高的逆变器设备的小型化。另外，积层陶瓷电容器存在以下的问题：易于由于弯曲应力而产生裂纹，导致电容器的阻抗降低，成为电源短路状态而破坏。但是，通过将多个电容器串联连接，还具有如下优点：即使至少一个电容器发生短路，只要剩下的任一个电容器正常，就不会成为电源短路状态，结果上不会发生故障。

根据本发明，能够防止逆变器部的破坏。

附图说明

图1是表示包括本发明的实施方式1中的电动机驱动装置的无刷电动机的框图。

图2是电容器的等效电路图。

图3是本发明的实施方式1中的电动机驱动装置的特性图。

图4是包括本发明的实施方式1中的电动机驱动装置的无刷电动机的外观图。

图5是包括本发明的实施方式1中的电动机驱动装置的无刷电动机的剖视图。

图6是表示作为本发明的实施方式2中的电气设备的一例的空调室内机的结构的示意图。

图7是表示以往的电动机驱动装置的框图。

图8是以往的电动机驱动装置中的电容器的等效电路图。

图9是以往的电动机驱动装置的特性图。

具体实施方式

(实施方式1)

图1是表示包括本发明的实施方式1中的电动机驱动装置200的无刷电动机100的结构的框图。在本实施方式中，如图1所示，列举包括电动机驱动装置200和电动机400的无刷电动机100的一例来进行说明。另外，无刷电动机100中设置有电源输入端子，经由该电源输入端子与作为直流的电源的直流电源1电连接。在图1中，示出了电源输出电压V_DCout的直流电源1连接于电动机驱动装置200的结构例。电动机驱动装置200基于从直流电源1提供的直流电力来生成用于对电动机400进行旋转驱动的驱动电力，将所生成的驱动电力提供至电动机400的电感负载4。由此，无刷电动机100进行旋转动作。在图1中，列举了如下的无刷电动机的一例：电动机400具备三个作为电感负载4的绕组，通过三相驱动进行旋转动作。

另外，电动机驱动装置200具备逆变器部2、电容器部3以及电源输入端子。电源输入端子包括被提供正电压侧的电压的作为正电压侧端子的端子Tv以及连接于成为负电压侧的地的作为负电压侧端子的端子Tg。端子Tv连接于作为电动机驱动装置200内部的电源线的内部电源线201，端子Tg连接于作为电动机驱动装置200内部的地线的内部地GND。另外，为了减轻内部电源线201中的电压变动、噪声，在内部地GND与内部电源线201之间连接有电容器部3。然后，从端子Tv经由内部电源线201向逆变器部2的电源输入端提供直流电压。逆变器部2构成为在内部具备连接于该直流电压的开关元件的结构，与各相对应地对这些开关元件进行接通/断开(ON/OFF)控制。逆变器部2通过像这样进行动作，基于所提供的直流电压来生成要施加到电感负载4的驱动电力。利用像这样由逆变器部2生成的驱动电力，来驱动电动机400。

而且，在本实施方式中，其特征在于，如图1所示，电容器部3构成为具有串联连接的两个电容器C1、C2。即，电容器C1的一端与电容器C2的一端相互连接，并且将电容器C1的另一端连接于正电压侧的端子Tv的内部电源线201，将电容器C2的另一端连接于负电压侧的端子Tg的内部地GND。

并且，在本实施方式中，将电容器C1、C2分别设为小型的积层陶瓷电容器。

图2是电容器C1、C2的等效电路图。如图2所示，实际的电容器C1、C2不仅具有静电电容Cs，还具有电感成分Ls、电阻成分Rs。此外，在图2中示出了使电容器C1、C2彼此为相同的电容器的情况，作为电特性，彼此的静电电容Cs相等，且电感成分Ls、电阻成分Rs也相等。在此，作为更具体的例子，例如，直流电源1的电压V_DCout为280V，电容器C1、C2的静电电容均为0.022μF。

而且，在如上那样构成的无刷电动机100中，如图1所示，作为从直流电源1向电动机驱动装置200的等效电路，存在直流电源输入中的等效电感成分Lv。这种等效电感成分Lv例如由提供电源的电线等的电感形成。

此外，在本实施方式中，列举如下的一例来进行说明：如图1所示，直流电源1的正负的输出电压经由连接部5被提供至连接于逆变器部2的直流电源输入端的电源输入端子。而且，如上所述，在直流电源输入端的正负之间设置有将小型的积层陶瓷电容器C1、C2串联连接所得的电容器部3。电感负载4连接于逆变器部2的输出端子。在图中，为了便于说明，以能够进行开闭动作的开闭器SW1、SW2表示连接部5。即，通过连接部5的开闭动作来代表性地示出如下的情况：由于接触不良、机器错误等，直流电压以额定电压或者与其相近的值的状态直接被施加到例如电源连接器等。

接着，使用图3的特性图来说明这样构成的电动机驱动装置200的动作。此外，为了与以往的情况进行比较，以实线表示本实施方式中的特性，以虚线表示以往的特性。

图3的(a)表示从直流电源1输出的电源输出电压V_DCout，表示该电源输出电压V_DCout为电压V_DC0伏特的情况、即V_DCout=V_DC0的情况。在此，电压V_DC0伏特为电动机驱动装置200的额定电压、即在设计上电动机驱动装置200能够稳定地使用的对电动机驱动装置200的提供电压。另外，图3的(b)表示向电容器部3的电容器C1、C2的充电电流I_DC。另外，图3的(c)表示提供至电源输入端子的端子Tv的电动机输入电压V_DCin。该电动机输入电压V_DCin为内部电源线201的电压。

在图3中，在时刻t=t₀，为连接部5的开闭器SW1、SW2处于断开状态的初始状态。在该状态下，没有从直流电源1向端子Tv提供电源输出电压V_DCout，因此如图3的(c)所示那样，电动机输入电压V_DCin为0伏特。

接着，在时刻t=t₁，连接部5的开闭器SW1、SW2变为闭合状态。于是，充电电流I_DC作为所谓的浪涌电流从直流电源1流向电容器C1、C2，电容器C1、C2被充电。因此，电动机输入电压V_DCin不会一瞬间就变为电源输出电压V_DCout的电压V_DC0伏特，而是从时刻t=t₁到t₂从0伏特逐渐增大。并且，在从直流电源1经由端子Tv、内部电源线201到逆变器部2的电源输入端的电源提供线上，存在等效的电感成分Lv。因此，如上所述，根据电感成分Lv与充电电流I_DC的变化率di/dt之积，也会过渡性地产生如跳跃那样的过冲电压(overshootvoltage)。在图3的(c)中，示出了在时刻t=t₂产生了峰值电压V_DCp11伏特的过冲电压的一例。

另外，在本实施方式的电容器部3中，构成为将电容器C1、C2串联连接的结构。因此，与例如图7中说明的那样的由一个电容器C1构成的电容器部300相比，在本实施方式的电容器部3中，电阻成分Rs变为2倍。其结果，与只有电容器C1的情况相比，充电电流I_DC的变化率di/dt变小。而且，由于变化率di/dt变小，因此根据电源提供线上的等效的电感成分Lv与充电电流I_DC的变化率di/dt之积而产生的电动机输入电压V_DCin中的过冲电压也得到抑制。即，在图3的(c)中，关于时刻t=t₂的电动机输入电压V_DCin，与以虚线表示的只有电容器C1的情况下的峰值电压V_DCp1伏特相比，以实线表示的本实施方式在时刻t=t₂的电动机输入电压V_DCin为被抑制为一半左右的峰值电压V_DCp11伏特。

之后，电容器C1、C2放电，在时刻t=t₃以后，电压V_DCin收敛到电压V_DC0伏特的电源输出电压V_DCout。

在此，从图3的(c)可知，在本实施方式中产生的峰值电压V_DCp11伏特为不超过逆变器部2的绝对最大额定电压V_DCmax的值，逆变器部2不会发生破坏。

如以上所说明的那样，通过将串联连接的多个电容器作为在内部地与内部电源线之间插入的电容器，能够增大电阻成分Rs，由此，也能够抑制基于浪涌电流的过冲电压的峰值电压。换言之，即使是小的电阻成分Rs的电容器，也能够通过设为串联连接的多个电容器来用作在内部地与内部电源线之间插入的电容器。在本实施方式中，进一步基于这种理由，将具有电阻成分Rs比较小这样的特性的电容器、即例如小型的积层陶瓷电容器作为使用于电容器部3的电容器。在本实施方式中，通过在电容器部3中使用这种小型的积层陶瓷电容器，来确保电动机驱动装置200的小型化。并且，通过将电容器部3的电容器C1、C2设为这种小型的积层陶瓷电容器，谋求防止由于直流电源1与逆变器部2的连接状况不佳等所导致的破坏、故障，同时谋求减轻直流电源输入中的电压变动、噪声。

接着，说明包括本实施方式的电动机驱动装置200的无刷电动机100的结构。图4是包括本发明的实施方式1中的电动机驱动装置200的无刷电动机100的外观图。

如图4所示，无刷电动机100具备圆筒状的定子8、设置于该定子8的上部的盖状的托架9以及从托架9的中心部突出的轴10。而且，无刷电动机100构成为以下结构：从设置于托架9与定子8的嵌合部侧面的出口套管(口出しブッシュ)21引出引线7，在末端上设置有连接器25。无刷电动机100在其内部内置有电动机驱动装置200，经由该连接器25向电动机驱动装置200提供直流的电源电力。

图5是内置有本发明的实施方式1中的电动机驱动装置200的无刷电动机100的剖视图。

如图1所示，无刷电动机100具备电动机400和电动机驱动装置200。另一方面，无刷电动机100在构造上如图5所示那样具备电动机400以及配置于电动机400内的印刷电路板17，在该印刷电路板17上安装有构成电动机驱动装置200的电路部件等。并且，电动机400构成为包括定子8以及配置于该定子8的内周侧的转子20的结构。

定子8构成为包括定子芯14的结构，该定子芯14上卷装有作为电感负载4的绕组6。定子芯14是层叠电磁钢板而形成的。该定子芯14上隔着绝缘体15卷装有多相的绕组6。然后，利用不饱和聚酯等树脂22使卷装有绕组6的定子芯14整体一体成型，由此构成定子8。该定子8的一端部被金属制的托架9覆盖。在该托架9的中央部和定子8的另一端部处设置有保持轴承13的轴承保持部。

另一方面，在这种定子8的内周侧配置有构成转子20的转子组装体26，该转子组装体26借助轴承13自由旋转。转子组装体26构成为包括轭12、磁体11以及轴10的结构。轭12是层叠电磁钢板而形成的。在该轭12的外周，以隔着间隙而与定子8的内周相对的方式设置有多极的圆筒状的磁体11。并且，通过压入等方法将轴10固定于轭12中央部。而且，轴10被轴承13所保持，转子组装体26旋转自如地被支承。

而且，无刷电动机100构成为在这种电动机400中还内置电动机驱动装置200的结构。即，如图5所示，无刷电动机100具备印刷电路板17，该印刷电路板17中安装有具体构成电动机驱动装置200的电路部件等。这种印刷电路板17被固定于定子8。而且，通过印刷电路板17的驱动电路来驱动的绕组6经由设置于绝缘体15的绕组端子销16连接于印刷电路板17。印刷电路板17中安装有构成逆变器部2的开关元件、磁传感器18以及电容器部3的小型的积层陶瓷电容器C1、C2等。而且，这些部件在印刷电路板17上相互电连接。并且，在印刷电路板17上，还形成有作为内部电源线201的内部电源线图案、作为内部地GND的地图案。

逆变器部2的输出端子与绕组端子销16连接，在逆变器部2的直流电源输入端子的正负之间串联地连接有电容器C1、C2。定子8构成为以托架9为盖的结构。以导热材料19填充托架9与逆变器部2之间的空隙。引线7的一端连接于印刷电路板17，另一端上设置有作为连接部的连接器25。连接器25上连接有未图示的直流电源，向电动机提供电力。

如上，根据将两个电容器串联连接来使用的本实施方式的结构，能够抑制向电容器的充电电流I_DC的变化率di/dt。因此，能够减小基于电源提供线的电感成分Lv与变化率di/dt之积而产生的过冲电压的上升，从而防止逆变器部的破坏。并且，通过设为这种结构，也能够利用小的电阻成分的电容器，因此也能够使用小型而还适于表面安装的积层陶瓷电容器，还能够实现小型化。因而，能够实现具备可靠性高的逆变器设备的电动机驱动装置，还能够使该电动机驱动装置小型化。即，本实施方式的电动机驱动装置还适于作为设置于无刷电动机的内部的电动机驱动装置，也能够如图3所示那样将包括这些逆变器设备的电动机驱动装置收纳到如电动机那样的有限的空间内。

并且，本实施方式的电动机驱动装置不存在引起逆变器部的破坏、故障的担忧。因此，内置有本电动机驱动装置的无刷电动机无需注意破坏、故障而能够连接直流电源，从而能够实现易于处理且便利性也优良的无刷电动机。

此外，如将电容器C1、C2的静电电容均设为0.022μF那样，若也包含成本上的考虑等，则设为电特性相同的同一电容器是最理想的。但是，为了不使静电电容与电容器为一个的情况相比极端地降低，可以使C1与C2的比率即C1/C2处于1/10～10的范围内。尤其优选1/5～5的范围。

另外，在上述的实施方式1中，列举将两个电容器串联连接的例子来进行了说明。但是，电容器的个数并不限定于两个，还可以构成为在电容器部中将多个电容器串联连接的结构。在将多个电容器串联连接时，电容器的电阻成分Rs成为串联连接的个数倍，能够与如实施方式1所说明的那样将两个电容器串联连接的情况同等地或更加抑制电压上升。

(实施方式2)

在本实施方式中，说明空调室内机的结构作为本发明中的电气设备的例子。

图6是示出了作为本发明的实施方式2中的电气设备的例子的空调室内机的结构的示意图。

在图6中，在空调室内机200的壳体211内搭载有无刷电动机201。该无刷电动机201的旋转轴上安装有横流风机(cross flow fan)212。无刷电动机201是通过电动机驱动装置213来驱动。通过来自电动机驱动装置213的通电，无刷电动机201进行旋转，随之横流风机212进行旋转。通过该横流风机212的旋转，将经室内机用热交换器(未图示)调和过的空气送到室内。在此，作为无刷电动机201，例如能够应用上述实施方式中示出的无刷电动机。

本发明的电气设备具备无刷电动机以及搭载有该无刷电动机的壳体，作为无刷电动机，采用了上述结构的本发明的无刷电动机。

在以上的说明中，作为本发明所涉及的电气设备的实施方式，提出了搭载于空调室内机的无刷电动机，但是也能够应用于搭载于空调室外机的无刷电动机、搭载于其它电气设备的无刷电动机、例如使用于各种家电用设备的无刷电动机、搭载于各种信息设备的无刷电动机、使用于产业设备的无刷电动机。

如上，根据本发明，能够提供能够防止逆变器部的破坏且可靠性高的电动机驱动装置。另外，能够利用包括本发明的电动机驱动装置的无刷电动机。另外，能够利用搭载有本发明的无刷电动机的各种电气设备。

Claims (9)

1.一种电动机驱动装置，对电动机的电感负载施加驱动电力来使上述电动机进行旋转动作，该电动机驱动装置的特征在于，

从直流电源输出的电源电压施加到逆变器部的正负各自的电源输入端，并且该电源电压还施加到电容器部，在上述逆变器部的输出侧连接上述电感负载，

上述电容器部是将多个电容器串联连接所得的结构。

2.根据权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于，具备：

上述逆变器部，其基于所提供的上述电源电压来生成用于使上述电动机进行旋转动作的驱动电力，将所生成的上述驱动电力施加到上述电动机的上述电感负载；

电源输入端子，其被提供来自上述直流电源的上述电源电压；

内部电源线，其将被提供至上述电源输入端子的上述电源电压提供给上述逆变器部；

地线，其是装置内部的地；以及

上述电容器部，其具有上述串联连接的上述多个电容器，

其中，上述串联连接的上述多个电容器的一端连接于上述内部电源线，另一端连接于上述地线。

3.根据权利要求2所述的电动机驱动装置，其特征在于，

上述电源输入端子包括被提供上述电源电压的正电压侧的电压的正电压侧端子以及被提供上述电源电压的负电压侧的电压的负电压侧端子，

上述内部电源线连接于上述正电压侧端子，并且上述地线连接于上述负电压侧端子。

4.根据权利要求2所述的电动机驱动装置，其特征在于，

上述电容器部具有串联连接的两个上述电容器。

5.根据权利要求4所述的电动机驱动装置，其特征在于，

串联连接的上述电容器的容量的比率为1/5～5。

6.根据权利要求2所述的电动机驱动装置，其特征在于，

串联连接的各个上述电容器具有相同的电特性。

7.根据权利要求1～6中的任一项所述的电动机驱动装置，其特征在于，

上述电容器是积层陶瓷电容器。

8.一种无刷电动机，其特征在于，具备：

定子，其具备作为上述电感负载的绕组；以及

转子，其与上述定子相对置，被配置成旋转自如，

其中，该无刷电动机内置有根据权利要求1～7中的任一项所述的电动机驱动装置。

9.一种电气设备，其特征在于包括根据权利要求8所述的无刷电动机。