JP2004231170A - 車両用空調装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】起動性が高く、低振動低騒音であるとともに小型軽量な車両用空調装置を提供することを目的としたものである。
【解決手段】固定子巻線に流れる電流を検出することにより磁石回転子の位置を検出し、3相変調された正弦波状の交流電流をセンサレスDCブラシレスモータへ出力するインバータ装置を車両用空調装置に備える。上記構成によって、正弦波状の交流電流が精密で、磁石回転子の位置検出がキャリア周期レベルで可能となり、トルクを高く一定に維持できる。もって、起動性が高く、低振動低騒音であるとともに小型軽量な車両用空調装置が得られる。
【選択図】図1
【解決手段】固定子巻線に流れる電流を検出することにより磁石回転子の位置を検出し、3相変調された正弦波状の交流電流をセンサレスDCブラシレスモータへ出力するインバータ装置を車両用空調装置に備える。上記構成によって、正弦波状の交流電流が精密で、磁石回転子の位置検出がキャリア周期レベルで可能となり、トルクを高く一定に維持できる。もって、起動性が高く、低振動低騒音であるとともに小型軽量な車両用空調装置が得られる。
【選択図】図1
Description
本発明は、センサレスDCブラシレスモータを駆動するインバータ装置を備えた車両用空調装置に関するものである。
従来からあるエンジンにより圧縮機を駆動する車両用空調システムを、図31に示す。
同図において、26は室内送風ファン、27は空気導入口、12は送風ダクト、13は室内熱交換器、45はミックスダンパ、46はヒータコア、14は空気吹き出し口、15は冷凍サイクルにおける絞り装置、16は室外熱交換器、17は室外送風ファン、47はリレー、48は圧縮機、48aは電磁クラッチ、49はエンジンである。
21は室内送風ファン26・リレー47・室外送風ファン17・ミックスダンパ45などを制御するエアコンコントローラ、22は室内送風ファン26のON/OFF・強弱を設定する室内送風ファンスイッチ、23は冷房のON/OFFを選択するエアコンスイッチ、24は温度調節スイッチ、25は車両コントローラ(図示せず)との通信を行うための通信装置をそれぞれ示している。
この構成において、例えば室内送風ファンスイッチ22により送風ON・弱とされ、エアコンスイッチ23により冷房が指示されると、エアコンコントローラ21は、リレー47をONさせ圧縮機48の電磁クラッチ48aをONとする。もって、エンジン49により圧縮機48が駆動され、室内熱交換器13は蒸発器として作用し導入空気を冷却する。
また、室外送風ファン17をONさせ、室内送風ファン26を弱に設定する。さらに、温度調節スイッチ24に従い、ミックスダンパ45の位置を調節して、室内熱交換器13にて冷却された導入空気の、エンジン49の冷却水(温水)の流れるヒータコア46にて再加熱される量を調整し、空気吹き出し口14から吹き出される空気の温度を設定する。
次に、従来からある電動圧縮機を搭載した車両用空調装置について図32とともに説明する。
図32において、26は室内送風ファン、27は空気導入口、12は送風ダクト、13は室内熱交換器、14は空気吹き出し口、15は絞り装置、16は室外熱交換器、17は室外送風ファン、18は冷媒の流れを切替えて冷房と暖房を選択するための四方切替弁、40はモータで駆動される電動圧縮機、19は電動圧縮機40のモータを運転するインバータ装置である。
21は室内送風ファン26・インバータ装置19・四方切替弁18・室外送風ファン17などを制御するエアコンコントローラ、22は室内送風ファン26のON/OFF・強弱を設定する室内送風ファンスイッチ、23は冷房・暖房・OFFを選択するエアコンスイッチ、24は温度調節スイッチ、25は車両コントローラとの通信を行うための通信装置をそれぞれ示している。
この構成において、例えば室内送風ファンスイッチ22で送風ON・弱とされ、エアコンスイッチ23により冷房が指示されると、エアコンコントローラ21は、四方切替弁18を図の実線に設定し、室内熱交換器13を蒸発器、室外熱交換器16を凝縮器として作用させ、室外送風ファン17をONし、室内送風ファン26を弱に設定する。
また、温度調節スイッチ24に従い、インバータ装置19を用いて電動圧縮機40の回転数を可変することにより冷凍サイクル能力を調整し、結果室内熱交換器13の温度を調節する。
エアコンスイッチ23により冷房もしくは暖房がOFFとされると、電動圧縮機40・室外送風ファン17はOFFとなる。また、冷房もしくは暖房がONにおいて、室内送風ファンスイッチ22がOFFとされると、室内送風ファン26はOFFとされ、電動圧縮機40・室外送風ファン17も冷凍サイクル保護のためにOFFとされる。
一方、走行性能優先・電力節減・バッテリ保護等の理由により車両コントローラ(図示せず)から冷房もしくは暖房をOFFとする指令が、通信装置25経由で受信されると、エアコンコントローラ21はエアコンスイッチ23による冷房もしくは暖房OFFと同様の処置をする。
図33に、上記車両用空調装置の車両への搭載配置例を示す。エアコンコントローラ21等は車室内に配置され、電動圧縮機40等は車室外に配置される。
図34に、電動圧縮機の一例として、センサレスDCブラシレスモータを備えた電動圧縮機40を示す。
前記電動圧縮機40は、金属製筐体32の中に圧縮機構部28、モータ31等設置したものである。冷媒は、吸入口33から吸入され、圧縮機構部28(この例ではスクロール圧縮機構)がモータ31で駆動されることにより圧縮される。この圧縮された冷媒は、モータ31を通過し(冷却し)吐出口34より吐出される。
金属製筐体32の内部でモータ31の巻き線に接続されているターミナル39は、例えば図32のインバータ装置19に接続される。50はステータコアであり、51はコイルエンドを示している。このコイルエンド51が大きいと、電動圧縮機40の横方向の長さが長くなる。分布巻コイルの場合、このコイルエンド51が大きいが集中巻コイルは小さい(例えば特許文献1参照)。
このような電動圧縮機を搭載した車両用空調装置においては、電動圧縮機に起動性の良いことが望まれる。
すなわち、電動圧縮機を起動させ、一旦停止させると吐出側は高圧、吸入側は低圧となっている。吸入側と吐出側の圧力差が大きいままの状態(負荷が大きい)で再度起動(以降、再起動とする)させるためは、電動圧縮機のモータトルクが、吸入側と吐出側の圧力差を上回るだけ大きいことが必要となる。
一方、図31のように、エンジン49により圧縮機48が駆動される場合は、エンジン49のトルクが強大なため問題ない。
車両空調用システムにおいては、冷暖房(電動圧縮機)をON/OFFする頻度が高い。例として、図32において、排気ガスが空気導入口27から入り、空気吹き出し口14から車内に吹き出されたような場合、乗員は咄嗟に室内送風ファンスイッチ22をOFFにする。
この時、電動圧縮機40も冷凍サイクル保護のためOFFとなる。車両用空調装置は、一般的に外気を導入し冷却・加熱し車両後部で排出している、また四方の窓ガラスを通し
ての熱輻射があるため熱負荷が大きい。そのため、、冷暖房を止めた時の室温変化が速く(冷暖房を始める前の温度に戻るのが速く)快適性が損なわれる。
ての熱輻射があるため熱負荷が大きい。そのため、、冷暖房を止めた時の室温変化が速く(冷暖房を始める前の温度に戻るのが速く)快適性が損なわれる。
よって、乗員は短時間のうちに(吸入側と吐出側の圧力差が大きいままの状態で)、再度室内送風ファンスイッチ22を(電動圧縮機40を)ONさせることとなる。
また、他の例として、日射がさしてきた時に冷房ONとし日射が無くなるとOFFとしたり、車両コントローラからの指令で一時的に冷暖房をOFFにする場合などがある。
また、電動圧縮機を搭載した車両用空調装置においては、低振動低騒音であることが重要になる。特に、電気自動車(ハイブリッド電気自動車、燃料電池電気自動車等を含む)はエンジンによる振動騒音が無いため静粛性が高い(ハイブリッド電気自動車においては、エンジンを起動せずモータで走行している場合)。 図33に示す如く電動圧縮機40は車室外に配置されるが、車体を通し車室内に電動圧縮機40の振動騒音が伝達される。
さらに、停車中においては、バッテリー電源により電動圧縮機を駆動することが可能で、この場合は、走行による振動騒音も無いので、電動圧縮機の振動騒音が目立つこととなる。電気自動車以外でも、停車中において、アイドルストップ(環境配慮のため:排ガス削減)し、バッテリー電源により電動圧縮機を駆動する場合は同様である。
図35に120度通電方式での回路例を示す。
図において、1はバッテリ、2はインバータ動作用スイッチング素子、3はインバータ動作用ダイオード、4はモータの固定子巻線、5はモータの磁石回転子、6は電源電流を検出し消費電力算出・スイッチング素子保護等を行うための電流センサ、11は固定子巻線4の電圧から磁石回転子5の位置検出を行うための位相シフト回路、10は同じく比較回路、71は電流センサ6・比較回路10・エアコンコントローラ21等からの信号に基づいてスイッチング素子2を制御する制御回路である。19はインバータ装置、37はインバータ回路部、31はモータを示す。
120度通電方式の場合、位置検出及び磁界変化が60度間隔(転流が60度間隔)のため(例えば特許文献2参照)、正確な位置検出ができず、トルク変動もあるため、起動不安定、振動騒音等の原因となっている。
また、磁石回転子5の回転により固定子巻線4に現れる誘起電圧が、磁石回転子5の位置検出を行うため必要であるが、固定子巻線4のインダクタンス成分によるダイオード3への還流のため、誘起電圧が歪んでしまう。よって、これも正確な位置検出ができない一因となっている。
図36に、120度通電における2極の磁石回転子5と巻線磁界との関係を示す。巻線磁界による磁束の向きを矢印で示す。巻線4への通電は60度の間固定されており、U相がN極、W相がS極に固定されている。一方、磁石回転子5は60度回転する(図36の左から右へ)ので、磁石回転子5と巻線磁界とによるトルクは変動する。一般的には、巻線磁界による磁束と磁石回転子5とが直交するとき(図36の中央)がトルク最大となる。
特開2001−37133号公報(第8頁、第16図、第18図)
特開平8−163891号公報(第8頁、第4図)
上記従来の構成において、起動性の向上を図る方法として、トルクの大きい大型電動圧縮機・大型インバータ装置を用いることが考えられる。しかしながら、この場合装置が大型化(重量・サイズ)してしまい、消費電力が増加し、一方振動騒音は解決されないという課題を有している。
また、電源電圧を昇圧してインバータ装置に供給すれば、起動性は向上するが昇圧装置により装置が大型化(重量・サイズ)してしまい、振動騒音は解決されないという課題を有している。
また、起動性の向上を図るために、吸入側と吐出側を結ぶバイパス配管と電磁弁を設けて均圧する方法が考えられるが、配管と電磁弁により装置が大型化(重量・サイズ)してしまい、振動騒音は解決されないという課題を有している。
本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、起動性が高く、低振動低騒音であるとともに小型軽量な車両用空調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は、固定子巻線に流れる電流を検出することにより磁石回転子の位置を検出し、3相変調された正弦波状の交流電流をセンサレスDCブラシレスモータへ出力する(以下、正弦波駆動とする)インバータ装置を車両用空調装置に備えるものである。
上記構成によって、磁石回転子の位置検出が60度より小さいレベル(キャリア周期レベル)で可能となり、巻線磁界による磁束と磁石回転子とを常に一定の関係(直交)に維持できる。
もって、3相変調により正弦波状の交流電流が滑らかとなり、位置検出が正確でトルクが大きいので起動性が高く、低振動低騒音であるとともに小型軽量な車両用空調装置が可能となる。
さらに、インバータ装置のプログラムソフトに、2相変調と3相変調双方の変調方式を搭載し、必要に応じて適宜、変調方式を選択し、2相変調と3相変調双方の特長を生かすことで、状況に応じた最適の空調装置を得ることができる。
また、3次高調波を印加した3相変調、キャリア周波数を増加させた2相変調を用いれば、2相変調と3相変調双方のソフトを準備することなく、選択不要のシンプルな方法で2相変調と3相変調双方の特長を実現できる。
さらに、各種変調方式(3相変調、2相変調、3次高調波を印加した3相変調、キャリア周波数を増加させた2相変調)を必要に応じ適宜選択することにより、必要に応じて最適な車両用空調装置が可能となる。
上記から明らかなように、本発明は、固定子巻線に流れる電流を検出することにより磁石回転子の位置を検出し、3相変調された正弦波状の交流電流をセンサレスDCブラシレスモータへ出力するインバータ装置を車両用空調装置に備える。
この構成によれば、磁石回転子の位置検出が60度より小さいレベル(キャリア周期レベル)で可能となり、巻線磁界による磁束と磁石回転子とを常に一定の関係(直交)に維持できる。
3相変調により正弦波状の交流電流が滑らかとなり、位置検出が正確でトルクが大きく安定なため起動性が高く、低振動低騒音であり、小型軽量な車両用空調装置が得られるという効果を奏する。
また、インバータ装置のプログラムソフトに、2相変調と3相変調双方の変調方式を搭載し、必要に応じて適宜、変調方式を選択し、2相変調と3相変調双方の特長を生かすことで、状況に応じた最適の空調装置を実現できるという効果を奏する。しかも、車両側からの電力節減指令に対し、電動圧縮機停止、出力低減ではなく、2相変調への切替による電力節減で対応し、空調維持を図ることができる。もって、快適な空調が得られる。
さらに、3次高調波を印加した3相変調、キャリア周波数を増加させた2相変調を用いれば、2相変調と3相変調双方のソフトを準備することなく、選択不要のシンプルな方法で2相変調と3相変調双方の特長を実現できるという効果を奏する。
また、各種変調方式(3相変調、2相変調、3次高調波を印加した3相変調、キャリア周波数を増加させた2相変調)を必要に応じて適宜選択することにより、必要に応じて最適な車両用空調装置を実現できるという効果を奏する。
上記のインバータ装置は、小型軽量であり、モータを低振動とできるので、電動圧縮機に密着させて取り付ける場合、電子回路を備えたインバータ装置の振動からの保護、電動圧縮機に取り付ける場合に優位な形態であり、圧縮機との一体化構造とする場合に容易に実現できるという効果を奏する。
また、上記のインバータ装置は、起動性が高いので、電動圧縮機にクラッチを搭載した場合、アイドルストップ時において、エンジン停止後、モータを起動させ圧縮機構部を駆動し、空調を維持することが容易に可能という効果を奏する。
さらに、上記のインバータ装置は、電流により位置検出するので、インダクタンスが大きい集中巻モータが使用可能であり、インバータ装置を電動圧縮機に密着させて取り付ける場合、電動圧縮機にクラッチを搭載する場合において、横方向の長さを短くすることが可能という効果を奏する。特に、3相変調においては、集中巻を用いても低振動低騒音を実現できる。
以下本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、本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に、本実施形態の電気回路図を示す。同図は、図36に示した120度通電方式の比べ、比較回路10・位相シフト回路11が無く、固定子巻線4の電流から磁石回転子5の位置検出を行うためのU相電流検出用電流センサ8、W相電流検出用電流センサ9を具備している。7は、従来の制御回路71に代わる制御回路である。また、20は従来のインバータ装置19に代わるインバータ装置を示す。37はインバータ回路部、31はモータをそれぞれ示す。
図1に、本実施形態の電気回路図を示す。同図は、図36に示した120度通電方式の比べ、比較回路10・位相シフト回路11が無く、固定子巻線4の電流から磁石回転子5の位置検出を行うためのU相電流検出用電流センサ8、W相電流検出用電流センサ9を具備している。7は、従来の制御回路71に代わる制御回路である。また、20は従来のインバータ装置19に代わるインバータ装置を示す。37はインバータ回路部、31はモータをそれぞれ示す。
前記制御回路7は、上記2個の電流センサからの2相分の電流値により他の1相の電流を演算し(電流センサは2個必要であるが、U相・V相・、W相のうちどの2相でも良い)、磁石回転子5の位置検出を行い、電流センサ6、エアコンコントローラ21等からの信号に基づいてスイッチング素子2を制御する。U相電流とW相電流が検出されれば、残
りのV相電流は固定子巻線4の中性点において、キルヒホッフの電流の法則を適用することにより求められる。
りのV相電流は固定子巻線4の中性点において、キルヒホッフの電流の法則を適用することにより求められる。
電流センサ6には、スイッチング素子2のスイッチングのタイミングにより、U相・V相・、W相のいずれかの相電流成分が流れるので、上記2個の電流センサに代わり、電流センサ6にて検出される電流から、相電流成分を抽出する方法でも良い。
次に、相電流から磁石回転子5の位置を検出する方法について述べる。
図2に、U相における相電流iUと誘起電圧EUとの関連を示す。誘起電圧EUは、磁石回転子5の回転により固定子巻線4に発生する電圧であるので、誘起電圧EUを検出することにより、磁石回転子5の位置を知ることができる。図1における固定子巻線4には、インダクタンスLとともに抵抗Rも存在している。
誘起電圧EU、抵抗Rの電圧、およびインダクタンスLの電圧の和がインバータ装置20からの印加電圧に等しい。
よって、印加電圧をVUとすると、VU=EU+RiU+LdiU/dtであり、誘起電圧EUは、EU=VU−RiU−LdiU/dtで表される。制御回路7は、スイッチング素子2を制御しているので、印加電圧VUは自明である。
よって、制御回路7のプログラムソフトに、インダクタンスLの値と抵抗Rの値を入力しておけば、相電流iUを検出することで、誘起電圧EUを算出することができる。
図3に、センサレスDCブラシレスモータの電圧電流1相分の一例を示す。
また、図4に、正弦波駆動における2極の磁石回転子5と巻線磁界の関係(後述する3相変調の図9における位相90度、120度、150度の場合)を示す。
同図において、数字は、相電圧のレベルを示す。磁石回転子5は60度回転する(図4の左から右へ)が、磁石回転子5の位置検出はキャリア周期レベルの時間で行われ、それに基づき巻線4への通電がキャリア周期レベルの時間で調整されるため、常に最大トルクが得られるように、滑らかな回転磁界が形成されている(矢印で表示)。よって、最大定トルク(巻線磁界による磁束と磁石回転子5が直交)となり、高い起動性と、低振動低騒音が実現される。
次に、正弦波駆動のPWM変調における2相変調と3相変調の波形を示す。図5に最大変調100%の2相変調を、図6に最大変調50%の2相変調を、図7に最大変調100%の3相変調を、図8に最大変調50%の3相変調を示す。
各図において41はU相端子電圧、42はV相端子電圧、43はW相端子電圧、29は中性点電圧をそれぞれ表している。中性点電圧29は、U相端子電圧41、V相端子電圧42、W相端子電圧43の和を3で除した値である。
2相変調は、変調が上がるにつれ0%から100%に向け伸びるのに対し、3相変調は、変調が上がるにつれ50%を中心に0%と100%の両方向に伸びる。
図9に電圧表示の2相変調を示し、図10に電圧表示の3相変調を示す。図において59はU相電圧、60はV相電圧、61はW相電圧をそれぞれ表している。なお、図9と図10において、相電圧は同一値2Vp−pである。
図11に、2相変調におけるキャリア周期での上アームスイッチング素子U、V、W、下アームスイッチング素子X、Y、Zによる、図6の位相がおおよそ120度での場合のスイッチングの一例を示す。
同スイッチングにおけるタイミングとして、(a)、(b)、(c)の3パターンがある。
タイミング(a)においては、上アームスイッチング素子U、V、W全てがOFF、下アームスイッチング素子X、Y、Z全てがONである。よって、電源ラインに電流は流れず、バッテリ1から固定子巻線4への電力供給はなく、非通電の状態にある。
タイミング(b)においては、上アームスイッチング素子UがON、下アームスイッチング素子Y、ZがONである。よって、電源ラインに電流が流れ、バッテリ1から固定子巻線4へ電力が供給され、通電の状態にある。
タイミング(c)においては、上アームスイッチング素子U、VがON、下アームスイッチング素子ZがONである。よって、電源ラインに電流が流れ、バッテリ1から固定子巻線4へ電力が供給され、通電の状態にある。
従って、2相変調においては、1回のキャリア周期内で、タイミング(b)、(c)、(b)と、連続した1回の通電状態にある。
図12に、3相変調の場合を示す。 図8において位相がおおよそ120度での場合である。2相変調の場合に比べ、タイミング(d)が加わり、タイミングとして、(a)、(b)、(c)、(d)の4パターンがある。タイミング(a)、(b)、(c)については、2相変調の場合と同じである。
タイミング(d)においては、上アームスイッチング素子U、V、W全てがON、下アームスイッチング素子X、Y、Z全てがOFFである。よって、電源ラインに電流は流れず、バッテリ1から固定子巻線4への電力供給はなく、非通電の状態にある。
よって、キャリア周期内のタイミング(a)、タイミング(d)の期間において非通電の状態にあり、キャリア周期内で前半と後半の2回に分けて通電されていることになる。これは、キャリア周波数を2倍(キャリア周期を半分)にしたのと同等の作用となる。もって、正弦波電流が滑らかになる。また、キャリア騒音が低減される。
従って、3相変調の方が2相変調よりも、PWM変調が細やかになり、正弦波電流が滑らかになる(理想に近くなる)。
よって、3相変調とすることにより、正弦波電流が理想に近いので、前記相電流から誘起電圧を求める式(EU=VU−RiU−LdiU/dt)において、実測値と理論値が近い値となり、もって磁石回転子の位置検出がきわめて正確になり起動性が高くなる。また、低振動低騒音となる。
一方、3相変調においては、漏れ電流が大きい。これは、2相変調が1相は変調しないのに対し、3相変調は3相とも変調するというスイッチングの差に基因している。
これに対しては接地線で対応できる。図13において、53は接地線、54は固定子巻線と電動圧縮機筐体間の浮遊容量、55はインバータ回路部とインバータ装置筐体間の浮
遊容量、56は車体、57は電動圧縮機の筐体、58はインバータ装置の筐体を示している。
遊容量、56は車体、57は電動圧縮機の筐体、58はインバータ装置の筐体を示している。
漏れ電流は、固定子巻線4から固定子巻線と電動圧縮機筐体間の浮遊容量54を介して電動圧縮機の筐体57へと流れる。そして、接地線53から車体56へ、車体56から接地線53を介してインバータ装置の筐体58へと流れ、インバータ回路部とインバータ装置筐体間の浮遊容量55を介して電源に戻る。よって、電動圧縮機の筐体57が帯電することはない。
また、3相とも変調することによりスイッチングロスが大きくなるが、このことに関しては、キャリア周波数(スイッチング周波数)を正弦波電流の滑らかさを適切な値に維持できる範囲で、低減する方法がある(特にモータの回転数が低い場合は、モータの回転数が高い場合に比較し、同一位相に対してスイッチングが多くなるので、キャリア周波数を低減し易い)。
上記のように、3相変調においては、起動性が高く、低振動低騒音の特長がある。
(実施の形態2)
次に、スイッチングにおける2相変調の場合について説明する。この2相変調においては、スイッチングロスが小さい。また、最大出力電圧を高くとれる特長がある。
次に、スイッチングにおける2相変調の場合について説明する。この2相変調においては、スイッチングロスが小さい。また、最大出力電圧を高くとれる特長がある。
2相変調の図9において、2Vp−pの相電圧を得るには、1.73Vo−pの端子電圧が必要になる。これに対し、3相変調の図10においては、2Vp−pの相電圧を得るには、2Vo−pの端子電圧が必要になる。よって、2相変調は3相変調に比較し同一の相電圧を得るに、87%(1.73/2)の端子電圧で良い。同一の端子電圧ならば、115%(2/1.73)の相電圧を得られる。
よって、2相変調と3相変調双方の特長を生かし最適な空調装置を得るために、インバータ装置20のプログラムソフトに双方の変調方式を搭載し、必要に応じて適宜、変調方式を選択することが考えられる。
図14において、3相変調と2相変調の選択例を示す。3相変調の場合において、バッテリ1の電圧がVHからVMに低下しても(バッテリ1は走行用の電源にも用いられており、走行状態・バッテリ1の電力残量等により電圧が変動する)、モータの回転数はFMに(PWM変調におけるパルス幅を最大まで増加させて)維持されているが、電圧がVLに低下すると(PWM変調におけるパルス幅は最大であり、増加させられないので)モータの回転数はFMに維持できなくなりFLまで低下する。これらの動きを細線矢印で表示する。
この時、2相変調に変更すると、同一電圧VLに対して、太線矢印で表示の如く15%相電圧を増加させることができる。よって、モータの回転数はFMまで戻す(近づける)ことができる。
よって、空調能力を維持する事ができ、快適性を維持できる。また、バッテリ1の電圧が低いことは、走行用負荷が大きい、またはバッテリ1の電力残量が減少している時であり、空調側が、スイッチングロスが小さく、もって消費電力の小さい2相変調を選択することは(低振動低騒音性は低下するが)望ましい。
昇圧装置でバッテリ1の電圧をVMまで昇圧し、インバータ装置20に供給しても空調能力を維持できるが、この場合、昇圧装置により、装置が大型化し、消費電力の低減は望
めず、むしろ増加してしまう。
めず、むしろ増加してしまう。
2相変調は、15%相電圧(=出力電圧)が高いので、3相変調による出力限界時に選択すれば、15%高い出力を得られる。この2相変調の出力が限界となった場合には、(界磁力を小さくして、モーターに流れる電流値を増加させ、回転数を上げる)弱め界磁を行えば、更に出力を高められる(これを2相変調弱とする)。
また、2相変調は、スイッチングロスが小さく消費電力がさいので、電気自動車(モータ走行)の空調運転、電気自動車停車時の空調運転、アイドルストップ時の空調運転等において、バッテリ1の電力消耗を抑制(バッテリ電力残量確保)するために2相変調を選択しても良い。バッテリ電力残量確保は走行性能・走行距離確保のために必要となる。通信装置25、エアコンコントローラ21経由でインバータ装置20へ伝達される車両側(車両コントローラ)からの、電力節減指令に対し、電動圧縮機40を停止したり、出力低減することなく、2相変調への切替による電力節減で対応し、空調運転の継続を図ることができる。
3相変調においては、確実な起動を確保したい場合に選択することが考えられる。また、振動騒音の大きくなる高出力時に低振動低騒音を確保するために選択する事が考えられる。
この時、必要であれば、出力は弱め界磁で確保できる(これを3相変調弱とする)。また、電気自動車(モータ走行)の空調運転、更には電気自動車停車時の空調運転、アイドルストップ時の空調運転等において、静粛性(低振動低騒音)を確保するために選択する事が考えられる。
変調方式選択例を図15に示す。同図において、上側は低振動低騒音優先を、下側は低消費電力優先を意図している。電圧低下時も3相変調とし、出力は弱め界磁で確保しても良い。低消費電力を意図し全て2相変調でも良い。これらの変調方式の選択は、車両側の要請で適宜自動選択としても良いし、空調装置の要請で適宜自動選択しても良い、また乗員が手動で選択しても良い。
また、乗員が省エネ運転を指定できる省エネスイッチ(ECOスイッチとする)を設け、当該スイッチONで、2相変調を選択できるようにしても良い。また、静粛運転を指定できる静粛スイッチ(MILスイッチとする)を設け、当該スイッチONで、3相変調を選択できるようにしても良い。
次に、上相変調方式の選択をフローチャートで説明する。
図16に、ECOスイッチに係る例を示す。スタートより、ステップ10にてECOスイッチONの有無を判定する。
ここで、ECOスイッチがONの場合、ステップ11へ進み、再起動かどうか判定する。これは、吸入側と吐出側の圧力差の測定、圧縮機が停止してからの時間などで判定する。再起動であれば、ステップ12へ進み、起動性の良い3相変調で起動する。
再起動でない場合、起動終了であれば、ステップ13へ進む。ここで、省エネを図るために2相変調とする。
ステップ14で、出力限界かどうか判定する。これは、PWM変調にてパルス幅が最大となるまでに、エアコンコントローラ21から指令される目標回転数を達成できるかを判
定する。
定する。
出力限界であれば、ステップ15にて2相変調弱とし、弱め界磁にて目標回転数を達成する。そして、ステップ10へ戻る。
出力限界でなければ、2相変調のままとして、ステップ10へ戻る。
ステップ10にて、ECOスイッチがOFFの場合、ステップ21へ進み、静粛性の高い3相変調とする。
ステップ22で、電圧が低下しているか、出力限界かどうかを判定する。電圧低下は、インバータ装置20などに備えられている電圧検出器で判定すればよい。
電圧低下もしくは出力限界であれば、ステップ23へ進む。
ここで、2相変調もしくは3相変調弱を選択する。また、後述する3相変調高を用いることもできる。そして、ステップ10へ戻る。
電圧低下、出力限界ともに該当しなければ、3相変調のままとして、ステップ10へ戻る。
図17において、66はECOスイッチである。ECOスイッチ66のONの有無はエアコンコントローラ21で判定され、インバータ装置20へ伝達される。ECOスイッチ66は、直接インバータ装置20へ接続されていてもよい。
図18に、MILスイッチに係る例を示す。スタートより、ステップ30にてMILスイッチONの有無を判定する。
ここで、MILスイッチがOFFの場合、再起動以外は2相変調を選択し、上記ECOスイッチにおけるステップ11以降と同じである。
MILスイッチがONの場合、ステップ41へ進み、静粛性を図るため3相変調を選択する。
ステップ42にて、電圧が低下しているか、出力限界かどうかを判定する。そして、電圧低下もしくは出力限界であれば、ステップ43へ進む。
ここで、3相変調弱を選択する。また、後述する3相変調高を用いることもできる。2相変調は、静粛性を図れないので選択しない。そして、ステップ30へ戻る。
電圧低下、出力限界ともに該当しなければ、3相変調のままとして、ステップ30へ戻る。
図17において、67はMILスイッチである。MILスイッチ67のONの有無はエアコンコントローラ21で判定され、インバータ装置20へ伝達される。MILスイッチ67は、直接インバータ装置20へ接続されていてもよい。
図17において、、ECOスイッチ66、MILスイッチ67の両方がともにエアコンコントローラ21へ接続されているが、どちらか一方でもよい。
図19に、変調方式の他の選択例を示す。
スタートより、ステップ80にて、起動性、静粛性の高い3相変調を選択し、確実な起動と静粛性を図る。
スタートより、ステップ80にて、起動性、静粛性の高い3相変調を選択し、確実な起動と静粛性を図る。
ステップ81にて、電圧が低下しているか、出力限界かどうかを判定する。
電圧低下もしくは出力限界であれば、ステップ82へ進む。ここで、2相変調を選択し出力を確保する。
そして、ステップ83にて、再度出力限界かどうかを判定する。出力限界であれば、ステップ84へ進み、2相変調弱を選択し、弱め界磁にて目標回転数を達成する。
そして、ステップ80へ戻る。出力限界でなければ、2相変調のままとして、ステップ80へ戻る。
ステップ81にて、電圧低下、出力限界ともに該当しなければ、3相変調のままとして、ステップ80へ戻る。
これにより、電圧を昇圧することなく高い出力(回転数)を得られ、インバータ装置20を小型Iに、電動圧縮機40を低容量小型にすることが可能となる。また、通常時においては、静粛性を図ることができる。
尚、ステップ81より前の段階で、2相変調としておいても良い。
図20に、エンジン走行車における選択例を示す。
スタートより、ステップ50にて、走行中かどうかを判定する。これは、車両コントローラからの情報を、通信装置25、エアコンコントローラ21経由でインバータ装置20が受信すればよい。
走行中であれば、静粛性は考慮不要とし省エネを図るべくステップ52にて2相変調とする。そして、ステップ50へ戻る。
走行中でなければ、ステップ51にて、アイドルストップ中か、停車駐車中でエンジン停止中かを判定する。これも、車両コントローラからの情報による。
アイドルストップ中、停車駐車中でエンジン停止中ともに該当しなければ、静粛性は考慮不要とし省エネを図るべくステップ52にて2相変調とする。
アイドルストップ中もしくは停車駐車中でエンジン停止中であれば、ステップ53にて、電力残量確保が必要かどうかを判定する。これも、車両コントローラからの情報による。
電力残量確保が必要であれば、省エネを図るべくステップ52にて2相変調とする。また、 電力残量確保が必要でなければ、静粛性を図るべくステップ54にて3相変調とする。そして、ステップ50へ戻る。
図21に、ハイブリッド電気自動車における選択例を示す。
スタートより、ステップ60にて、走行中かどうかを判定する。走行中であれば、ステ
ップ61にて、モータ走行中かどうかを判定する。モータ走行中でなければ、静粛性は考慮不要とし省エネを図るべくステップ62にて2相変調とする。そして、ステップ60へ戻る。
ップ61にて、モータ走行中かどうかを判定する。モータ走行中でなければ、静粛性は考慮不要とし省エネを図るべくステップ62にて2相変調とする。そして、ステップ60へ戻る。
ステップ60にて、走行中でなければ、またステップ61にて、モータ走行中であれば、ステップ63にて、電力残量確保が必要かどうかを判定する。
電力残量確保が必要であれば、静粛性より省エネを優先しステップ62にて2相変調とする。また、 電力残量確保が必要でなければ、静粛性を図るべくステップ64にて3相変調とする。そして、ステップ60へ戻る。
図22に、電気自動車における選択例を示す。
スタートより、ステップ70にて、停車中かどうかを判定する。停車中でなければ、静粛性は考慮不要とし省エネを図るべくステップ72にて2相変調とする。そして、ステップ70へ戻る。
停車中であれば、ステップ71にて、電力残量確保が必要かどうかを判定する。
電力残量確保が必要であれば、静粛性より省エネを優先しステップ72にて2相変調とする。また、電力残量確保が必要でなければ、静粛性を図るべくステップ73にて3相変調とする。そして、ステップ70へ戻る。
図23に、変調方式の他の選択例を示す。
スタートより、ステップ90にて、省エネを優先し2相変調とする。
ステップ91にて、高回転かどうかを判定する。これは、目標回転数の大きさで判定する。6000rpm程度である。高回転であれば、2相変調のままとしステップ91へ戻る。また、高回転でなければ、ステップ92にて、静粛性を図るべくキャリア周波数を増加させる。そして、ステップ91へ戻る。
これにより、高回転を2相変調で確保でき、低い回転数では静粛性を図ることができる。尚、起動時に3相変調としても良い。
上記実施の形態2においては、2相変調と3相変調の双方の変調を可能とし、変調方式を選択するものであるが、以下に選択不要のシンプルな方法を示す。
(実施の形態3)
図24〜図26は、3相変調において各端子電圧に3次高調波を印加したものである。この変調を以下3相変調高とする。図24、図25に電圧表示の3相変調高を、図26に最大変調100%の3相変調高を示す。
図24〜図26は、3相変調において各端子電圧に3次高調波を印加したものである。この変調を以下3相変調高とする。図24、図25に電圧表示の3相変調高を、図26に最大変調100%の3相変調高を示す。
図25に、3次高調波電圧62、3次高調波電圧印加前のU相端子電圧63、3次高調波電圧印加前のV相端子電圧64、3次高調波電圧印加前のW相端子電圧65を示す。中性点電圧29と3次高調波電圧62とは同一の振幅、位相となる。
3次高調波電圧62を印加することにより、端子電圧のピークは下がるが、図24に示す如く、相電圧は3次高調波電圧62を印加する前と変わらない。これは、相電圧は端子電圧と中性点電圧29との差であり、中性点電圧29と3次高調波電圧62とは同一の振
幅、位相であることによる。
幅、位相であることによる。
3相変調高の図24において、2Vp−pの相電圧を得るには、1.9Vo−pの端子電圧が必要(印加する3次高調波の振幅により変化する:この例では印加される端子電圧の1/10)になる。よって、3相変調高は3相変調に比較し同一の相電圧を得るのに、95%の端子電圧で良い。同一の端子電圧ならば、105%の相電圧を得られる。
また、3相変調高は、3相変調の特長(低振動低騒音、起動性)をほぼ生かしつつ、最大出力5%UPを図ることができる。これにより、3相変調高方式を用いれば、2相変調と3相変調双方のソフトを準備することなく、選択不要のシンプルな方法を実現できる。
尚、3次高調波に代わり、nを自然数として3n次高調波でも良い。また、図16のステップ23、図18のステップ43にて3相変調高を用いる事は、好適である。
(実施の形態4)
3相変調の方が2相変調よりも正弦波電流が滑らかになる(理想に近くなる)。
3相変調の方が2相変調よりも正弦波電流が滑らかになる(理想に近くなる)。
一方、2相変調においてもキャリア周波数(スイッチング周波数)を高くすれば、同一位相範囲でのデューティ(Duty)変化が細かくなり、もって正弦波電流を滑らかにできる。しかも最大出力は変わらない。
このキャリア周波数を高くする2相変調を、以下2相変調UPとする。ここでは、30%程度キャリア周波数を高くしたものとする。従って、2相変調UPにおいては、最大出力15%大はそのままで、低振動低騒音性向上、起動性向上を図ることができる。
低振動低騒音性においては、キャリア周波数を高くすることによりキャリア騒音も低減される。一方、2相変調の消費電力小の特長はキャリア周波数を高くすることにより減少する。よって、キャリア騒音の目立つ低回転においてキャリア周波数を高くするのが良い。高低回転ではメカ騒音が大きくキャリア騒音は目立たない。一方、キャリア周波数を高くすることのみのため、ソフト変更は容易である。図23におけるステップ92は2相変調UPに相当する。
2相変調UPを含め、上記2相変調、3相変調、3相変調高それぞれの特長を生かし必要に応じ適切に選択することにより目的に応じ最適な車両用空調装置を得られる。また、2相変調UP、3相変調高においては、2相変調と3相変調双方の特長を備えているので、双方の特長を両立させることが必要な場合に用いると好適である。
(実施の形態5)
図27に、電動圧縮機40の左側にインバータ装置20を密着させて取り付けた図を示す。この構成は、金属製筐体32の中に圧縮機構部28、モータ31等が設置されている。
図27に、電動圧縮機40の左側にインバータ装置20を密着させて取り付けた図を示す。この構成は、金属製筐体32の中に圧縮機構部28、モータ31等が設置されている。
冷媒は、吸入口33から吸入され、圧縮機構部28(この例ではスクロール)がモータ31で駆動されることにより、圧縮される。この圧縮された冷媒は、モータ31を通過し(冷却し)吐出口34より吐出される。内部でモータ31の巻き線に接続されているターミナル39は、インバータ装置20に接続される。インバータ装置20は電動圧縮機40に取り付けられるように、ケース30を使用している。
発熱源となるインバータ回路部37は、ケース30を介して電動圧縮機40の金属製筐体32に熱を放散するようにしている。すなわち、インバータ回路部37は、金属製筐体
32を介して電動圧縮機40内部の冷媒で冷却される。
32を介して電動圧縮機40内部の冷媒で冷却される。
ターミナル39は、インバータ回路部37の出力部に接続される。接続線36には、バッテリー1への電源線とエアコンコントローラ21への制御用信号線がある。
このようなインバータ装置20を電動圧縮機40に密着させて取り付ける場合、電子回路を備えたインバータ装置20を振動から保護するためにモータ31の作動が低振動であること、電動圧縮機40に取り付けるためにインバータ装置20が小さいことが必要になる。したがって、本発明の実施の形態は、インバータ装置20と電動圧縮機40の一体化構造とする場合は好適である。さらに、振動を極力小さくするために、3相変調を用いるのが好ましい。
(実施の形態6)
図28に、電動圧縮機68(電動圧縮機40をエンジン駆動可能としたもの)の左側にクラッチ44を搭載した例を示す。プーリ38にベルトがかけられ、図31の如くエンジン49に接続される。そして、圧縮機構部28を構成するクランク軸28aの中央部にはモータ31を構成するロータが取り付けられ、またこのクランク軸28aのモータ31に対し、圧縮機構部28の反対側には、電磁クラッチ44が取り付けられている。
図28に、電動圧縮機68(電動圧縮機40をエンジン駆動可能としたもの)の左側にクラッチ44を搭載した例を示す。プーリ38にベルトがかけられ、図31の如くエンジン49に接続される。そして、圧縮機構部28を構成するクランク軸28aの中央部にはモータ31を構成するロータが取り付けられ、またこのクランク軸28aのモータ31に対し、圧縮機構部28の反対側には、電磁クラッチ44が取り付けられている。
走行中でエンジン49が起動中は、クラッチ44を介してエンジン49の駆動力が圧縮機構部28に伝えられる。停車時、アイドルストップする場合、エンジン49は停止するので、モータ31を起動させ圧縮機構部28を駆動し空調を維持する。
そのため、モータ31を起動させる時、一旦圧縮機構部28を停止させているので、吐出側は高圧、吸入側は低圧となっている。吸入側と吐出側の圧力差が大きいままの状態(負荷が大きい)で再起動させる必要がある。よって、起動性の高い正弦波駆動を用いることは好適である。確実な起動を確保するために、3相変調を用いるのが好ましい。
(実施の形態7)
実施の形態5、実施の形態6において、電動圧縮機40、電動圧縮機68の横には、それぞれ、インバータ装置20、クラッチ44を搭載するため、図34の従来の電動圧縮機より横方向が長くなり、車両搭載上支障となる。そのため、モータ31の巻き線を集中巻とし、分布巻のコイルエンド51に比べコイルエンド52と小さくして横方向の長さを短くした例を図29、図30に示す。特に、クラッチ装着の場合、エンジンに搭載されるので、エンジンからの振動耐久上短いことが好ましい。
実施の形態5、実施の形態6において、電動圧縮機40、電動圧縮機68の横には、それぞれ、インバータ装置20、クラッチ44を搭載するため、図34の従来の電動圧縮機より横方向が長くなり、車両搭載上支障となる。そのため、モータ31の巻き線を集中巻とし、分布巻のコイルエンド51に比べコイルエンド52と小さくして横方向の長さを短くした例を図29、図30に示す。特に、クラッチ装着の場合、エンジンに搭載されるので、エンジンからの振動耐久上短いことが好ましい。
集中巻は、巻線が密集しているため。分布巻よりインダクタンスが大きい、そのため、120度通電ではダイオードへの還流時間が長くなり、誘起電圧の測定が困難となる。もって、分布巻より位置検出が難しく、起動性が更に低下する。また、振動騒音も更に大きくなる。正弦波駆動では電流により位置検出するので問題とならない。よって、集中巻モータを使用し、インバータ装置20もしくはクラッチ44を搭載した電動圧縮機69、70に、正弦波駆動を用いることは好適である。
本発明は、上記各実施の形態において、車両用空調装置としたが、直流電源としてのバッテリーに代わり商用電源を整流する等、他にも応用可能である。また、電動圧縮機を用いる冷凍車の冷凍サイクルに適用してもよい。停車時に商用電源を整流して用いる場合、停車時に常に再起動となり本発明の起動性が効果的に作用する。
また、電動圧縮機とエンジン駆動圧縮機の両方を備え使い分ける車両用冷凍サイクルにおいても、使い分ける際に再起動が必要となり、上記同様本発明の起動性が効果的に作用
する。
する。
前記バッテリ電力残量確保は、ハイブリッド電気自動車、燃料電池電気自動車においては燃料確保と考えても良い。
1 バッテリ
2 スイッチング素子
4 固定子巻線
5 磁石回転子
6 電流センサ
7 制御回路
8 U相電流検出用電流センサ
9 W相電流検出用電流センサ
20 インバータ装置
31 センサレスDCブラシレスモータ
40 センサレスDCブラシレスモータを備えた電動圧縮機
66 ECOスイッチ
67 MILスイッチ
68 エンジン駆動が可能な電動圧縮機
69 集中巻モータを備えた電動圧縮機
70 エンジン駆動が可能な集中巻モータを備えた電動圧縮機
2 スイッチング素子
4 固定子巻線
5 磁石回転子
6 電流センサ
7 制御回路
8 U相電流検出用電流センサ
9 W相電流検出用電流センサ
20 インバータ装置
31 センサレスDCブラシレスモータ
40 センサレスDCブラシレスモータを備えた電動圧縮機
66 ECOスイッチ
67 MILスイッチ
68 エンジン駆動が可能な電動圧縮機
69 集中巻モータを備えた電動圧縮機
70 エンジン駆動が可能な集中巻モータを備えた電動圧縮機
Claims (24)
- 直流電源と、三相結線された固定子巻線と永久磁石回転子とを有するセンサレスDCブラシレスモータと、前記センサレスDCブラシレスモータにより駆動される圧縮機と、前記直流電源からの直流電圧をスイッチングすることにより正弦波状の交流電流を前記センサレスDCブラシレスモータへ出力するインバータ装置と、前記永久磁石回転子の位置を検出するために前記固定子巻線に流れる電流を検出する電流センサとを備え、前記スイッチングが3相変調である車両用空調装置。
- 前記スイッチングが、3次高調波を印加した3相変調である請求項1記載の車両用空調装置。
- 前記スイッチングを2相変調も可能として、前記スイッチングが、3相変調と2相変調に適宜選択される請求項1または2記載の車両用空調装置。
- 前記2相変調を、前記センサレスDCブラシレスモータの低回転時にキャリア周波数を増加させた2相変調とした請求項3記載の車両用空調装置。
- 直流電源と、三相結線された固定子巻線と永久磁石回転子とを有するセンサレスDCブラシレスモータと、前記センサレスDCブラシレスモータにより駆動される圧縮機と、前記直流電源からの直流電圧をスイッチングすることにより正弦波状の交流電流を前記センサレスDCブラシレスモータへ出力するインバータ装置と、前記永久磁石回転子の位置を検出するために前記固定子巻線に流れる電流を検出する電流センサとを備え、前記スイッチングが、前記センサレスDCブラシレスモータの低回転時にキャリア周波数を増加させた2相変調である車両用空調装置。
- スイッチングの選択が車両側の要請、空調装置側の要請、乗員の要請のいずれかに基づいて行われる請求項3または4記載の車両用空調装置。
- 車両側の要請に基づくスイッチングの選択が、直流電源の電力残量確保のために2相変調を選択することである請求項6記載の車両用空調装置。
- 車両側の要請に基づくスイッチングの選択が、モータ走行時において、省エネを図るために2相変調を選択することである請求項6記載の車両用空調装置。
- 車両側の要請に基づくスイッチングの選択が、停車時において、省エネを図るために2相変調を選択することである請求項6記載の車両用空調装置。
- 車両側の要請に基づくスイッチングの選択が、アイドルストップ時において、省エネを図るために2相変調を選択することである請求項6記載の車両用空調装置。
- 車両側の要請に基づくスイッチングの選択が、低振動低騒音を図るために3相変調を選択することである請求項項6記載の車両用空調装置。
- 車両側の要請に基づくスイッチングの選択が、モータ走行時において、静粛性を図るために3相変調を選択することである請求項11記載の車両用空調装置。
- 車両側の要請に基づくスイッチングの選択が、停車時において、静粛性を図るために3相変調を選択することである請求項11記載の車両用空調装置。
- 車両側の要請に基づくスイッチングの選択が、アイドルストップ時において、静粛性を図るために3相変調を選択することである請求項11記載の車両用空調装置。
- 空調装置側の要請に基づくスイッチングの選択が、直流電源の電圧低下時において、出力確保を図るために2相変調を選択することである請求項6記載の車両用空調装置。
- 空調装置側の要請に基づくスイッチングの選択が、センサレスDCブラシレスモータの3相変調による出力限界時において、出力アップを図るために2相変調を選択することである請求項6記載の車両用空調装置。
- 空調装置側の要請に基づくスイッチングの選択が、直流電源の電圧低下時において、静粛性を保ちつつ出力確保を図るために、3次高調波を印加した3相変調を選択することである請求項6記載の車両用空調装置。
- 空調装置側の要請に基づくスイッチングの選択が、センサレスDCブラシレスモータの3相変調による出力限界時において、静粛性を保ちつつ出力アップを図るために、3次高調波を印加した3相変調を選択することである請求項6記載の車両用空調装置。
- 空調装置側の要請に基づくスイッチングの選択が、センサレスDCブラシレスモータの起動時において、確実な起動を図るために3相変調を選択することである請求項6記載の車両用空調装置。
- 乗員の要請に基づくスイッチングの選択が、省エネ運転要請により2相変調を選択することである請求項6記載の車両用空調装置。
- 乗員の要請に基づくスイッチングの選択が、静粛運転要請により3相変調を選択することである請求項6記載の車両用空調装置。
- インバータ装置とセンサレスDCブラシレスモータと圧縮機とを一体とした請求項1乃至21いずれかに記載の車両用空調装置。
- センサレスDCブラシレスモータと圧縮機と圧縮機の駆動軸に動力を伝達するクラッチを、単一の回転軸に取り付けた請求項1乃至21いずれかに記載の車両用空調装置。
- センサレスDCブラシレスモータの固定子巻線を集中巻とした請求項1乃至23記載の車両用空調装置。
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