JP2005341749A - インバータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】デジタルセンサレス位置検出方式のブラシレスＤＣモータを用いた密閉型圧縮機用のインバータ装置において、キャリア音に関する低騒音化を図る。
【解決手段】ＰＷＭ信号のキャリア周波数を任意に可変出力させとともにキャリア周波数を起動時から変化させるキャリア周波数設定手段１０４と、密閉容器のシェル１５３との共振周波数帯域を避けて変化さシェル共振避退手段１０５と、圧縮機構部１５２と電動機部１１０とサスペンションスプリング１６１との共振周波数帯域を避けて変化させる機構要素共振避退手段１０６と、シェル共振避退手段１０５と機構要素共振避退手段１０６との共振周波数帯域を合成した合成共振退避手段１０７とを備え、キャリア周波数との共振帯域を避けて連続的にキャリア周波数を変化させることができるので、ユーザーにとって違和感を感じることなくキャリアによる騒音を低減できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷蔵庫や空調装置など冷却システムの密閉型圧縮機に用いられるブラシレスＤＣモータのインバータ駆動装置に係わり、特にステータの巻線に誘起される誘起電圧（速度起電力）によってロータとステータ間の相対位置を検出して回転数制御を行うインバータ駆動装置のキャリア音に関する低騒音化技術に関するものである。

一般にブラシレスＤＣモータの制御方法においては、ロータ磁極の位置検出をもとにしてステータの巻線の通電パターンを切り換える一方、ブラシレスＤＣモータの回転数を制御するためにステータの巻線への通電電圧（印加電圧）を可変する。この通電電圧を可変する方法として、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，パルス幅変調）駆動方式が広く用いられている。一定のキャリア周波数に対して、デューティと呼ばれるキャリア一周期中の通電時間の割合を加減制御する。

従来のブラシレスＤＣモータ駆動用のインバータ駆動装置について、ロータの位置検出を改善したものがある（例えば特許文献１および特許文献２参照）。

以下、図面を参照しながら、上記従来のブラシレスＤＣモータのインバータ駆動装置について説明する。

図１１は、上記特許文献に記載された従来の密閉型圧縮機用ブラシレスＤＣモータのインバータ駆動装置の構成図である。

図１２は、デジタル方式の位置検出回路図である。図１３は、インバータ駆動装置の各部の波形図である。また図１４は、図１３における位置信号波形の詳細図である。

図１５は、従来のブラシレスＤＣモータのステータの構造図であり、図１５（ａ）は、分布巻構造のステータの上面図を示し、図１５（ｂ）はステータの積層鋼板の上面図を示している。

また、図１６は、従来のブラシレスＤＣモータのロータの構造図であり、ＳＰＭ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ，磁石表面配置型）構造のロータの断面図を示している。

まず、図１１に示す通り、交流電源１の交流電圧は、整流回路２により直流電圧に変換される。整流回路２はダイオード２ａないし２ｄとコンデンサ２ｅ，２ｆが接続された構成となっている。インバータ回路部３は半導体のスイッチング素子（例えばトランジスタ）３ａないし３ｆが３相ブリッジ構成で接続されており、かつ各々のスイッチング素子３ａないし３ｆに並列で逆方向にダイオード３ｇないし３ｌが接続されている。

電動機部４は３相６極のブラシレスＤＣモータ４ａであり、ステータ５、ロータ６を備えており、インバータ回路部３の出力により駆動される。また、インバータ回路部３の出力端子は３相のステータの巻線５ａに接続される。

また、図１５において、ステータ構造は、分布巻構造であり、ステータの巻線５ａはステータ５の積層鋼板５ｂのティース部５ｃ間のスロット５ｄを通り分布巻に施されている。さらに、図１６において、ロータ６は磁石６ａないし６ｆを内蔵しており、磁石６ａないし６ｆがフェライト磁石となっているＳＰＭ構造である。鉄芯６ｇの回りに磁石６ａないし６ｆのＮ，Ｓ極が交互となるようにロータ６の表面に配置されている。

制御回路部２０は、位置検出回路２１と回転速度検出手段２２、転流制御手段２３、デューティ設定手段２４、ＰＷＭ制御手段２５とドライブ制御手段２６とを備えており、ブラシレスＤＣモータ４ａの回転数を制御する。

以上のように構成されたインバータ駆動装置について、以下その動作を説明する。

位置検出回路２１は、ブラシレスＤＣモータ４ａの誘起電圧より相対的なロータ６の回転位置を検出するとともに、位置信号を出力する。

回転速度検出手段２２は、位置検出回路２１の位置信号から、回転速度を算出する。

転流制御手段２３は、位置検出回路２１の位置信号をもとに転流タイミングを算出し、インバータ回路部３のスイッチング素子３ａないし３ｆを転流させる。

デューティ設定手段２４は、回転数指令と回転速度検出手段２２で検出された実際の回転速度情報とを比較し、両者が一致するようデューティ値を加減制御する。

ＰＷＭ制御手段２５は、ブラシレスＤＣモータ４ａの回転数を可変するために、ＯＮ／ＯＦＦの比率の異なるＰＷＭ信号波形を作り出している。このＰＷＭ信号の周波数をキャリア周波数と呼び、ＰＷＭ信号の１周期中のＯＮの比率をデューティと呼んでいる。

また、ＰＷＭ制御手段２５では、デューティ設定手段２４のデューティ幅より、キャリア周波数を切り換える。例えば、起動時はキャリア周波数１ｋＨｚで立ち上げ、デューティ幅がｔ１（６０μｓｅｃ，デューティ値６％）以上になれば、キャリア周波数を３ｋＨｚに切り換える。この時デューティ幅はｔ２（μｓｅｃ，デューティ値６％）となり、最低デューティ幅２０μｓｅｃを確保するように切り換える。

ドライブ制御手段２６では、転流制御手段２３の出力信号と、ＰＷＭ制御手段２５の出力信号とを合成し、インバータ回路部３のスイッチング素子３ａないし３ｆをＯＮ／ＯＦＦさせる。

図１２において、位置検出回路２１は、ブラシレスＤＣモータ４ａのステータの巻線５ａの端子にＰＷＭ信号がＯＮ時に誘起される誘起電圧と基準電圧（例えばブラシレスＤＣモータ４ａの印加電圧の１／２）とを比較してロータ６の位置を検出している。

また、位置検出回路２１では、ブラシレスＤＣモータ４ａの各相の端子電圧を分圧回路２１ａにより信号レベルで処理できるよう分圧する。分圧回路は抵抗ｒ１ないしｒ６で構成されており、フィルタ回路２１ｂによりノイズ成分を除去する。基準電圧合成回路２１ｃでは基準電圧である分圧された３相の中性点電位を作り出す。比較器２１ｄ、２１ｅ、２１ｆは、基準電圧とステータ巻線５ａの各端子電圧の分圧とを比較し位置信号を出力する。

また、位置検出回路２１は、各相の誘起電圧と基準電圧との比較結果を位置信号として回転速度検出手段２２に出力する。回転速度検出手段２２では、位置信号より実際の基準電圧と誘起電圧との交点を推定し、回転速度を算出する。そして転流制御手段２３では各相毎にその交点間の時間を計時して、この計時時間をもとにして位置検出タイミング、ステータの巻線５ａの通電切り換えタイミングを算出する。

ドライブ制御手段２６では、その通電切り換えタイミングによりインバータ回路部３の上下アームの各１つのスイッチング素子３ａないし３ｆを駆動する一方、上下アームの少なくとも一方のスイッチング素子３ａないし３ｆの通電期間をＰＷＭ制御によりＯＮ／ＯＦＦチョッピングする。

ブラシレスＤＣモータ４ａの回転数制御においてはＰＷＭ信号のＯＮ時間を可変する。例えば、ＰＷＭ信号のＯＮ時間を長くしてブラシレスＤＣモータ４ａの回転数を上昇させ、ＰＷＭ信号のＯＮ時間を短くしてブラシレスＤＣモータ４ａの回転数を下降させる。すなわち、ＰＷＭ信号のＯＮ時間を可変しデューティを変化させ、ブラシレスＤＣモータ４ａの回転数を目標とする回転数に合わせる。

図１３において、インバータ駆動装置の制御回路部２０の出力信号および、端子電圧、巻線電流、位置信号の波形を示している。図１３より、制御回路部２０は、インバータ回路部３のスイッチング素子３ａないし３ｆを駆動し１２０度通電の上アーム側でＰＷＭ制御を行っていることが分かる。

また、図１４において、ドライブ制御手段２６の出力信号に伴い、無通電区間にロータの磁石の起磁力による誘起電圧がインバータ回路部３の出力端子に観測されるが、このとき、誘起電圧波形にスイッチングによるリンギングノイズが発生するため、位置検出回路２１にはノイズ除去用のフィルタ回路２１ｂを挿入している。

ＰＷＭ信号はドライブ制御手段２６の出力に対し、スイッチング素子３ａないし３ｆのスイッチング遅れにより若干遅れる。従って、位置信号はフィルタ回路２１ｂ、比較器２１ｄないし２１ｆによりさらに遅れ波形となる。

ところで、例えばデューティサイクルのＯＮ時間が短い（駆動パルスの幅が狭い）と、ブラシレスＤＣモータ４ａのステータ巻線５ａの電圧波形のピーク値が下がり、位置検出ができないという不具合がある。ブラシレスＤＣモータ４ａの起動時ではデューティサイクルのＯＮ時間が短くなる（パスル幅が細くなる）ため、ブラシレスＤＣモータ４ａのステータ巻線５ａの電圧波形の波形がなまりピーク値が下がるため位置検出ができない。

特に、位置検出信号に重畳するノイズを除去するノイズ除去用のフィルタ回路２１ｂを挿入しているが、フィルタ定数を大きくすると波形がなまり位置信号が得られないし、また、フィルタ定数を小さくすると、スイッチング素子３ａないし３ｆのスイッチング時に生じるリンギングノイズにより誤動作、脱調する恐れがある。

そのため、起動中にあってはＰＷＭ信号のキャリア周波数を運転中のキャリア周波数より低くしており、起動時には通電切り換えにより強制的に同期運転を行い、位置検出運転可能な程度までブラシレスＤＣモータ４ａを加速した時点で位置検出運転に切り換えるようにしている。

位置検出は、デューティ幅が狭いほど位置検出しづらくなる傾向にあり、そこで、起動時はキャリア周波数を低く設定し、回転数を上昇させデューティ幅が十分大きくなるとキャリア周波数を高くしている。例えば、本従来例では１ｋＨｚで起動させ、デューティ幅が十分に大きくなると３ｋＨｚで運転させている。

また、キャリア周期でチョッピングして印加電圧をＯＮ／ＯＦＦしてデューティ制御しているため、ＯＮ区間では電流が増加し、ＯＦＦしている区間は電流が減少する。この電流の変動を電流リップルといい、ブラシレスＤＣモータ４ａの加振源となり振動や騒音を引き起こすことになる。電流波形はＰＷＭ信号のＯＮ／ＯＦＦ変動による電流リップルが重畳した波形となる。

この電流リップルの振幅は、巻線抵抗をＲ、巻線のインダクタンスをＬとするとＬ／Ｒなる時定数によって定まる。即ち、Ｌ／Ｒが小さい程、電流の変化が急峻になり、ＰＷＭ信号のＯＮ／ＯＦＦ時の電流リップルが大きくなる。また、巻線抵抗値が小さいほど電流リップルが大きい傾向にある。

次に、密閉型圧縮機について説明する。従来より、密閉型圧縮機はインバータ駆動装置により駆動されるものがある（例えば特許文献３参照）。

図１７は、従来の密閉型圧縮機の断面図であり、往復動式のレシプロ圧縮機を示している。図１８は、従来の密閉型圧縮機の外観図である。

密閉型圧縮機５１は、大きく圧縮機構部５２、電動機部４、密閉容器のシェル５３で構成されており、圧縮機構部５２と電動機部４は、球形状の密閉容器のシェル５３内に収容されている。

圧縮機構部５２と電動機部４は、ロータ６とクランクシャフト５４により連結されている。また電動機部４のステータ５はブロック５５に固定されている。

アッパーベアリング５５ａはクランクシャフト５４と摺動自在に嵌合されており、ブロック５５に固定されている。また、ブロック５５は、シリンダ部５５ｂを構成している。

圧縮機構部５２は、クランクシャフト５４、ブロック５５、ピストン５６、コンロッド５７、ディスチャージライン５８、吸入バルブ５９、吐出バルブ６０、アッパーベアリング５５ａ、ピストンピン５６ａ等で構成されている。

コンロッド５７は、一方はクランクシャフト５４の偏芯部５４ａに嵌合され、もう片方は、ピストンピン５６ａと嵌合され、ピストン５６と連結されている。

また、電動機部４のブラシレスＤＣモータ４ａ、および圧縮機構部５２は密閉容器のシェル５３に内蔵され、シェル５３の内側に取り付けられたサスペンションスプリング６１により支持されている。また、ロータ６には、ピストン５６、コンロッド５７などの往復運動部のバランスをとるためバランスウェイト６ｈ，６ｉが設けられている。

圧縮室６２は、シリンダ部５５ｂ、ピストン５６、吸入バルブ５９、吐出バルブ６０にて構成される。また、密閉容器のシェル５３内に冷凍機油７０が溜められ、クランクシャフト５４を介して圧縮機構部５２の摺動部に給油される。

以上のように構成された密閉型圧縮機５１において以下その動作を説明する。

ステータの巻線５ａへの通電により、ロータ６が回転する。ロータ６に固定されたクランクシャフト５４が回転することによって、クランクシャフト５４の偏芯部５４ａに連結されたコンロッド５７を介してピストン５６が直線運動する。

圧縮室６２が広がる方向にピストン５６が動く時は、吐出バルブ６０は閉じており、吸入バルブ５９が開いて冷媒が圧縮室６２内に吸入され、逆に圧縮室６２が狭くなる時には吸入バルブ５９が閉じて、冷媒を圧縮し、ある圧力以上になると吐出バルブ６０が開いてディスチャージライン５８を通じ冷却システム（図示せず）へ放出される。

以上の行程において、ステータ５に印加される電圧による電磁音や、ロータ６の回転に伴い圧縮機構部５２内でクランクシャフト５４などが摺動する音、圧縮により吸入バルブ５９や吐出バルブ６０のたたき音などが発生する。様々な周波数を有するこれらの音は、密閉容器内の空間を伝搬し、密閉容器のシェル５３を通じて、密閉型圧縮機５１の騒音となり外部に伝わる。

また、圧縮機構部５２や電動機部４の振動がサスペンションスプリング６１を介して密閉容器のシェル５３に伝達され、密閉型圧縮機５１の騒音となり外部に伝わる。
特開平８−２２３９７１号公報 特開平８−２２３９７２号公報 特開平８―１１４１８７号公報

しかしながら、上記従来のインバータ駆動装置の構成では、電流リップルは、加振源となりステータ５およびロータ６の振動を引き起こし、高周波の耳障りな騒音を増大させていた。電流リップルの基本成分や、その高調波成分により、密閉型圧縮機５１のブラシレスＤＣモータ４ａに高い周波数の振動が励起される。すなわち、キャリア周波数を基本波とするモータ騒音が発生する。

また、この振動成分が、圧縮機構部５２の部品の固有振動数と一致すると鋭い高周波の耳障りな共振音を発生することになる。特に密閉容器のシェル５３との共振により、シェル５３内の音が外側に伝達されることとなり、騒音が発生する。また、ＰＷＭ制御に伴う振動、騒音は、電流リップルの振幅が大きいほど顕著に発生していた。

さらに、キャリア周波数を切り換える際、突然切り換わると、聴感上において違和感を感じてしまう。

また、キャリア周波数を高くすると、スイッチング素子３ａないし３ｆのスイッチング回数が増大することによりスイッチング素子３ａないし３ｆの発熱量が大きくなり素子への負担が増大し、高負荷運転状態において温度上昇の問題も発生する。

上記従来の課題を解決するために、本発明のインバータ駆動装置は、キャリア周波数を連続的に可変するキャリア周波数設定手段を設けたものであり、キャリア周波数を連続的に変化させることにより、キャリア音の急激な変化を低減するという作用を有する。

また、起動時にはキャリア周波数を下げることによりＰＷＭ信号のデューティ幅を広くすることができ、デューティ値が小さい時でも位置検出ができるという作用を有するとともに、密閉型圧縮機のキャリア音が高い時には、キャリア周波数を変化させて騒音の低い周波数へ移動できる作用を有する。

さらに、高回転時にはキャリア周波数を連続的に下げることにより、キャリア音の急激な変化を低減するとともに、インバータ部のスイッチング素子の損失を抑えるという作用を有する。

本発明のインバータ駆動装置は、密閉型圧縮機の起動性を向上させることができるとともに、キャリア周波数を連続的に切り換えることでキャリア音の急激な変化に伴う聴感上の不快感を低減することができる。

また、キャリア音が高い時に、キャリア周波数を騒音の低い周波数へ移動することで騒音を低減することができる。

さらに、インバータ部のスイッチング素子の温度上昇を抑制することができ効率が高く、信頼性の高いインバータ駆動装置を提供することができる。

請求項１記載の発明は、電動機部を構成する複数相の巻数を有するステータと複数極の磁石を有するロータを備えたブラシレスＤＣモータと、前記ブラシレスＤＣモータのロータとクランクシャフトを介して接続されている圧縮機構部とを収納した密閉型圧縮機と、前記ブラシレスＤＣモータのステータの巻線に接続される複数個のスイッチング素子により構成されるインバータ回路部と、前記スイッチング素子の通電を制御して前記ブラシレスＤＣモータを回転数可変に駆動制御する制御回路部と、前記制御回路部においてロータの磁極位置を検出する位置検出回路と、前記位置検出回路からの位置信号に基づきロータの回転速度を算出する回転速度検出手段と、前記位置検出回路からの位置信号に基づき前記インバータ回路部のスイッチング素子の転流を制御する転流制御手段と、前記回転速度検出手段の回転速度情報と回転数指令に基づきＰＷＭ信号のデューティ値を設定するデューティ設定手段と、前記デューティ設定手段で設定されたデューティ値に基づきＰＷＭ信号のキャリア周波数を連続的に可変するキャリア周波数設定手段と、前記デューティ設定手段で設定されたデューティ値と前記キャリア周波数設定手段で設定されたキャリア周波数に基づきＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ制御手段と、前記転流制御手段の出力と前記ＰＷＭ制御手段の出力を合成し前記インバータ回路部のスイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦチョッピングするドライブ信号を発生するドライブ制御手段とを備えたもので、キャリア周波数を連続的に変化させることにより、キャリア音の急激な変化を低減することで、キャリア音の急激な変化に伴う聴感上の不快感を低減することができる。

また、起動時にはキャリア周波数を下げることによりＰＷＭ信号のデューティ幅を広くすることができ、デューティ値が小さい時でも位置検出ができるため、密閉型圧縮機の起動性が向上する。

また、密閉型圧縮機のキャリア音が高い時には、キャリア周波数を変化させて騒音の低い周波数へ移動でき低騒音化を図ることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明のキャリア周波数設定手段は、キャリア周期を一定時間に一定量を変化させるキャリア周期設定手段を備えたものであり、キャリア周波数を指数関数的に変化させることで、密閉型圧縮機の共振周波数帯域が高周波域にある場合にキャリア音の大きい共振帯域でのキャリア周波数の変化を速くすることができるため、請求項１に記載の発明の効果に加えて、キャリア音の大きい共振帯域での運転時間を短くすることができ、密閉型圧縮機の騒音を低減することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明のキャリア周波数設定手段は、キャリア周波数を密閉型圧縮機の密閉容器を構成するシェルとの共振周波数帯域を避けて変化させるシェル共振避退手段を備えたもので、密閉型圧縮機のシェルの共振帯域を避けてキャリア周波数を変化させることができるので、請求項１または２に記載の発明の効果に加えて、密閉型圧縮機のシェルの共振を回避し、密閉型圧縮機の騒音を低減することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３に記載の発明のキャリア周波数設定手段は、電動機部のステータとロータと、前記圧縮機構部を構成するクランクシャフト、ブロック、ピストン、コンロッド、ディスチャージラインと、圧縮機構部および電動機部を支持するサスペンションスプリングの少なくとも一つ以上の共振周波数帯域を避けてキャリア周波数を変化させる機構要素共振避退手段とを備えたもので、請求項１ないし３に記載の発明の効果に加えて、キャリア周波数を変化させる時に、キャリア周波数が密閉型圧縮機の部品の固有振動数と一致して発生する鋭い高周波の耳障りな共振音をなくすことができ、密閉型圧縮機の低騒音化を図ることができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４に記載の発明のキャリア周波数設定手段は、ある一定値以上の密閉型圧縮機の振動が発生する共振周波数帯域を回避してキャリア周波数を変化させる合成共振退避手段とを備えたもので、請求項１ないし４に記載の発明の効果に加えて、密閉型圧縮機の振動が大きくなるキャリア周波数を避けてキャリア周波数を変化させるため、密閉型圧縮機の振動が大きくなる運転を回避でき、騒音を低減することができる。

請求項６に記載の発明は、請求項１ないし５に記載の発明の制御回路部はスイッチング素子の過負荷検知手段を備え、キャリア周波数設定手段は前記過負荷検知手段からの過負荷信号に基づき、キャリア周波数を高周波数から低周波数へ変化させるもので、インバータ部のスイッチング素子の損失を抑えることができ、請求項１ないし５に記載の発明の効果に加えて、インバータ部のスイッチング素子の温度上昇を抑制することができ、効率が高く、信頼性の高いインバータ駆動装置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ないし６に記載の発明の密閉型圧縮機の密閉容器は楕円形状のシェルであり、球形状のシェルと比べて小型化が可能で、シェルとの共振による騒音が出やすいもののキャリア音の急激な変化に伴う聴感上の不快感の低減やキャリア音の高い周波数帯域を避けてキャリア周波数を設定することにより、請求項１ないし６に記載の発明の効果に加えて、密閉型圧縮機の騒音の増大を防止するととともに、小型な密閉型圧縮機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ないし７に記載の発明の電動機部のステータは、スロット間に設けられたティース部ごとに巻線を巻き付けた集中巻構造であり、集中巻構造により電動機部の小型化および密閉型圧縮機の小型化および低コスト化が可能となり、さらに、集中巻構造がティース部への電流リップルによる応力が従来の分布巻に比べステータに加わりやすく加振力となり騒音の原因にもなりやすいものの、キャリア音の急激な変化に伴う聴感上の不快感の低減やキャリア音の高い周波数帯域を避けてキャリア周波数を設定することにより、請求項１ないし７に記載の発明の効果に加えて、密閉型圧縮機の騒音の増大を防止するととともに、小型な電動機部を搭載した小型で安価な密閉型圧縮機を提供することができる。

請求項９に記載の発明は、請求項１ないし８に記載の発明のロータは、鉄芯に磁石を埋め込まれた突極性を有するＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ，磁石埋め込み型）構造のロータであり、ＳＰＭ構造のロータより大きいトルクが得られ低コスト化が可能であり、さらに、トルクリップルがＳＰＭ構造のロータに比べ大きくなり電流リップルによる加振力も増大傾向にあるものの、キャリア音の急激な変化に伴う聴感上の不快感の低減やキャリア音の高い周波数帯域を避けてキャリア周波数を設定することにより、請求項１ないし８に記載の発明の効果に加えて、密閉型圧縮機の騒音の増大を防止するととともに、電動機部を小さくでき、小型な密閉型圧縮機を提供できる。

請求項１０に記載の発明は、請求項１ないし９に記載の発明のロータの磁石は希土類磁石であり、従来のフェライト磁石に比べ磁力が強く、より大きなマグネットトルクが得られるとともに、磁力の変化が大きくトルクリップルが大きくなるものの、キャリア音の急激な変化に伴う聴感上の不快感の低減やキャリア音の大きい周波数帯域を避けてキャリア周波数を設定することにより、請求項１ないし９に記載の発明の効果に加えて、密閉型圧縮機の騒音の増大を防止するととともに電動機部を小さくでき、小型な密閉型圧縮機を提供できる。

請求項１１に記載の発明は、請求項１ないし１０に記載の発明において、冷凍サイクルを構成する冷蔵庫や空調機器に適用したもので、密閉型圧縮機のみならず、冷蔵庫や空調機器において、キャリア音の急激な変化に伴う聴感上の不快感を低減することができる。

また、キャリア音が高い時には、キャリア周波数を変化させて騒音の低い周波数へ移動でき低騒音化を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照にしながら説明する。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。また、従来と同一構成については同一符号を付して詳細な説明を省略する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における密閉型圧縮機用ブラシレスＤＣモータのインバータ駆動装置の構成図である。図２は、同実施の形態におけるブラシレスＤＣモータのステータの構造図であり、図２（ａ）は本実施の形態における集中巻構造のステータの上面図であり、図２（ｂ）はステータの積層鋼板の上面図である。

図３は、同実施の形態におけるブラシレスＤＣモータのロータの構造図であり、図３（ａ）は、本実施の形態におけるＩＰＭ構造のロータの断面図であり、図３（ｂ）は本実施の形態における希土類磁石のＩＰＭ構造のロータの断面図である。

図４は、同実施の形態における密閉型圧縮機の断面図、図５は同実施例における密閉型圧縮機の外観図である。

図６は、同実施の形態における密閉型圧縮機の共振周波数と振動レベルの相関図である。図７は、同実施の形態におけるキャリア周波数制御の変化図である。

以下、図１ないし図７に基づいて本発明の実施の形態について説明する。

図１において、制御回路部１０１は、位置検出回路２１、回転速度検出手段２２、転流制御手段２３、デューティ設定手段２４、ＰＷＭ制御手段１０２、ドライブ制御手段２６、過負荷検知手段１０３、キャリア周波数設定手段１０４を有しており、キャリア周波数設定手段１０４はシェル共振退避手段１０５、機構要素共振退避手段１０６、合成共振退避手段１０７を有している。

過負荷検知手段１０３は、インバータ駆動装置に設けられた温度検知手段１０３ａを備え、スイッチング素子３ａないし３ｆの温度を間接的に推定する。ある一定の温度、例えば１００℃以上であれば、キャリア周波数設定手段１０４に信号を送る。

電動機部１１０は３相６極のブラシレスＤＣモータ１１０ａであり、ステータ１１１、ロータ１１２を備えており、インバータ回路部３の出力により駆動される。また、インバータ回路部３の出力端子は３相のステータの巻線１１１ａに接続される。

図２（ａ）において、ステータ１１１の巻線１１１ａはステータ１１１の積層鋼板１１１ｂのスロット１１１ｃ間のティース部１１１ｄに集中して巻かれている。

図３（ａ）において、ＩＰＭ構造のロータ１１２は、逆円弧形のフェライト磁石１１２ａないし１１２ｆがＮ，Ｓ極が交互となるように鉄芯１１２ｇ内に埋め込まれたものである。図３（ｂ）は、同じくＩＰＭ構造のロータ１１３であり、希土類（ネオジウムなど）磁石１１３ａないし１１３ｆが鉄芯１１３ｇ内に埋め込まれたものである。

図４および図５において、密閉型圧縮機１５１は、大きく圧縮機構部１５２、電動機部１１０、密閉容器の楕円形状のシェル１５３で構成されている。

また、楕円形状のシェル１５３は小型化のため、扁平で上部より見た場合楕円形状に施されている。

圧縮機構部１５２と電動機部１１０は、ロータ１１２とクランクシャフト１５４により連結されている。また電動機部１１０のステータ１１１はブロック１５５に固定されている。

クランクシャフト１５４は、ブロック１５５の軸受け部１５５ａと摺動自在に嵌合されている。また、偏芯部１５４ａを有しており、偏芯部１５４ａにクランクウェイト１５４ｂを備えている。また、ブロック１５５は、シリンダ部１５５ｂを構成している。

圧縮機構部１５２は、クランクシャフト１５４、ブロック１５５、ピストン１５６、コンロッド１５７、ディスチャージライン１５８、吸入バルブ１５９、吐出バルブ１６０、ピストンピン１５６ａ等で構成されている。

コンロッド１５７は、一方はクランクシャフト１５４の偏芯部１５４ａに嵌合され、もう片方は、ピストンピン１５６ａと嵌合され、ピストン１５６と連結されている。

また、電動機部１１０のブラシレスＤＣモータ１１０ａ、および圧縮機構部１５２は密閉容器の楕円形状のシェル１５３に内蔵され、楕円形状のシェル１５３の内側に取り付けられたサスペンションスプリング１６１により支持されている。

圧縮室１６２は、シリンダ部１５５ｂ、ピストン１５６、吸入バルブ１５９、吐出バルブ１６０にて構成される。また、密閉容器の楕円形状のシェル１５３内に冷凍機油１７０が溜められ、クランクシャフト１５４を介して圧縮機構部１５２の摺動部に給油される。

以上のように構成されたインバータ駆動装置について、以下その動作、作用を説明する。

キャリア周波数設定手段１０４は、デューティ設定手段２４のデューティ値およびデューティ幅から、位置検出できる最低デューティ幅以上でキャリア周波数を設定している。ＰＷＭ制御手段１０２は、キャリア周波数設定手段１０４の出力とデューティ設定手段２４出力に基づき、ＰＷＭ信号を出力している。特に、起動時からの立ち上がり時に速やかにキャリア周波数を１０ｋＨｚまで移行させる。例えば、同期運転終了後に位置検出運転に切り換わると、キャリア周波数を３００ｍｓ毎に０．１ｋＨｚずつ上げていく。

ドライブ制御手段２６は転流制御手段２３の出力とＰＷＭ制御手段１０２の出力を合成しインバータ回路部３のスイッチング素子３ａないし３ｆをＯＮ／ＯＦＦさせている。

また、シェル共振退避手段１０５は、楕円形状のシェル１５３の振動の共振周波数帯域をデータとして持っており、キャリア周波数が、楕円形状のシェル１５３の振動の共振周波数と重なって連続して運転しないようキャリア周波数を制御する。

機構要素共振退避手段１０６は、密閉型圧縮機１５１のクランクシャフト１５４、ブロック１５５、ディスチャージライン１５８、ピストン１５６などの圧縮機構部１５２と、ステータ１１１、ロータ１１２などの電動機部１１０、およびサスペンションスプリング１６１の振動の共振周波数帯域をデータとして持っており、キャリア周波数が、この共振周波数と重なって連続して運転しないようキャリア周波数を制御する。

さらに、合成共振退避手段１０７は、シェル共振退避手段１０５と機構要素共振退避手段１０６の共振周波数帯域データを合成し、合成振動レベルである圧縮機振動レベルがある一定以上、例えば４０ｄＢとなる共振周波数帯域で、キャリア周波数がこの共振周波数で連続して運転するのを防止する。

図６は、共振周波数と振動レベルの特性を示しており、縦軸に振動レベル、横軸に共振周波数をとり、シェル振動、機構要素振動、シェル振動と機構要素振動を合成した圧縮機振動の特性を示している。圧縮機構部１５２の共振周波数と楕円形状のシェル１５３の共振周波数が一致すると合成された共振周波数の圧縮機振動レベルが上昇し、密閉型圧縮機１５１の騒音レベルが高くなる傾向がある。そのため、合成共振周波数帯域のａ１ないしａ２区間の周波数帯域のキャリア周波数を選択すると、キャリア周波数と密閉型圧縮機１５１とが共振し騒音が発生する。

図７は、起動からの経過時間とキャリア周波数の変化を示しており、４つのパターンを示している。図７のＡパターンに示すように密閉型圧縮機１５１の起動時は１ｋＨｚで起動し、回転数の上昇とともに、キャリア周波数を１０ｋＨｚまで上昇させる。キャリア周波数の上昇のさせ方には、大きく４通りの方法がある。

まず第１の方法は、図７のＡパターンの（１）に示すようにキャリア周波数を合成共振周波数帯域のａ１ないしａ２区間をそのまま連続的に通過させ、速やかに高周波域の１０ｋＨｚまで移行させる。この場合、合成共振周波数帯域を通過する時に、キャリア音が聞こえるが、一過性のものであり、安定運転時にはキャリア音の影響の少ない１０ｋＨｚで運転するため、起動性の向上と、安定運転時の低騒音化が図れる。また、キャリア周波数が連続的に変化するため違和感を感じることが少ない。

次に第２の方法は、図７のＡパターンの（２）に示すように、キャリア周波数がａ１に達すると、即座にキャリア周波数ａ２に変化させキャリア周波数を上昇させることにより、合成共振周波数帯域を避けることができ、キャリア周波数による騒音の影響が大きい区間で運転しないことから低騒音を図ることができる。

また第３の方法は、図７のＡパターンの（３）に示すように、キャリア周波数がａ１に達すると通過時間Δｔ１分だけａ１で運転し、その後キャリア周波数ａ２へキャリア周波数を変化させ、キャリア周波数を再び上昇させる。この場合、キャリア周波数の変化は、合成共振周波数帯域の区間を除いて連続的に変化している。合成共振周波数帯域においては、比較的騒音が大きく、ユーザーにとってはキャリア音以外の音でマスキングされているため、キャリア音が連続的に変化しているように聞こえ違和感を感じることが少ない。

同様に第４の方法は、図７のＡパターンの（４）に示すように、キャリア周波数がａ１に達すると即キャリア周波数ａ２に変化させ、通過時間Δｔ１分だけキャリア周波数ａ２で運転し、その後キャリア周波数を再び上昇させるにした場合においても、第３と同様の効果が考えられる。

さらに、キャリア周波数設定手段１０４は、過負荷検知手段１０３の信号から過負荷時時にはスイッチング素子３ａないし３ｆの定格をオーバーしていると判断し、スイッチング素子３ａないし３ｆのスイッチング回数を減少させ発熱を防止するため、キャリア周波数を下げるよう制御する。このため、スイッチング素子３ａないし３ｆの損失を低減することができ、効率向上を図ることができると共に、インバータ駆動装置の信頼性を向上することができる。

なお一般的に密閉型圧縮機を用いたシステムでは、過負荷時は高速で回転している場合が多く、過負荷状態と回転数が比例していると考え、回転数により過負荷を判断しても良く、従って回転速度をパラメータにとり高速回転時にキャリア周波数を下げるようにしても良い。また、デューティ値によって例えば６０％以上であればキャリア周波数を下げるようにしてもよい。さらに、高速回転時においては、機械音が主体となり、キャリア音の影響が少なくなるため騒音への影響は少ない。

（実施の形態２）
図８は、本発明の実施の形態２における密閉型圧縮機用ブラシレスＤＣモータのインバータ駆動装置の構成図である。図９は、同実施の形態におけるキャリア周波数制御の変化図である。図１０は、同実施の形態における密閉型圧縮機の共振周波数と振動レベルの相関図である。

制御回路部２０１は、位置検出回路２１、回転速度検出手段２２、転流制御手段２３、デューティ設定手段２４、ＰＷＭ制御手段１０２、ドライブ制御手段２６、過負荷検知手段１０３、キャリア周波数設定手段２０２を備えている。

また、キャリア周波数設定手段２０２はシェル共振退避手段１０５、機構要素共振退避手段１０６、合成共振退避手段１０７を有している。

キャリア周波数設定手段２０２は、さらにキャリア周期設定手段２０３を有しており、一定時間に一定量キャリア周期を変化させることができる。

過負荷検知手段１０３は、インバータ駆動装置に備えられた温度検知手段１０３ａによりスイッチング素子３ａないし３ｆの温度を間接的に推定する。

以上のように構成されたインバータ駆動装置において、以下その動作、作用を説明する。

キャリア周波数設定手段２０２は、デューティ設定手段２４のデューティ値およびデューティ幅から、位置検出できる最低デューティ幅以上でキャリア周波数を設定している。ＰＷＭ制御手段１０２は、キャリア周波数設定手段２０２の出力とデューティ設定手段２４出力に基づき、ＰＷＭ信号を出力している。起動時からの立ち上がり時に速やかにキャリア周波数を１０ｋＨｚまで移行させる。

ここで、キャリア周期設定手段２０３によりキャリア周期を一定時間に一定量を変化させている。例えば、キャリア周期を１００ｍｓ毎に１μｓｅｃずつ短くしていく。従って、実施の形態１のように時間軸に対してキャリア周波数が比例的に変化するのではなく、図９に示すＢパターンのように指数関数的に変化する。そのため、高域に共振帯域が存在する場合に、Δｔ１＞Δｔ２となりＢパターンの方が速やかに合成共振周波数帯域を通過でき、より違和感を感じさせることが少なくできる。

また、図９のＢ’パターンで示すようにキャリア周波数を変化させることにより、実施の形態１にと同様、キャリア周波数がａ１に達すると、即座にキャリア周波数ａ２に変化させキャリア周波数を上昇させることにより、合成共振周波数帯域を避けることができ、キャリア周波数による騒音の影響が大きい区間で運転しないことから低騒音を図ることができる。

また、本実施例では、共振帯域は１箇所しか設けていないが、図１０のｂ線に示すように、複数箇所ｂ１ないしｂ２、ｂ３ないしｂ４、ｂ５ないしｂ６の共振帯域を設けて制御してもよい。

以上のような密閉型圧縮機用ブラシレスＤＣモータのインバータ駆動装置において、集中巻構造のステータ１１１を適用した場合、電流リップルによる応力が分布巻構造のステータ５に比べ加わりやすく加振力となり騒音の原因にもなりやすいものの、キャリア音の急激な変化に伴う聴感上の不快感の低減やキャリア音の高い周波数帯域を避けてキャリア周波数を設定することにより、密閉型圧縮機の騒音の増大を防止するととともに、電動機部を小さくでき、小型で安価な密閉型圧縮機を提供することができる。

また、ＩＰＭ構造のロータ１１２を適用した場合、トルクリップルがＳＰＭ構造のロータ６に比べ大きくなり電流リップルによる加振力も増大傾向にあるものの、キャリア音の急激な変化に伴う聴感上の不快感の低減やキャリア音の高い周波数帯域を避けてキャリア周波数を設定することにより、密閉型圧縮機の騒音の増大を防止するととともに、電動機部を小さくでき、小型な密閉型圧縮機を提供できる。

また、希土類磁石１１３ａないし１１３ｆを適用したＩＰＭ構造のロータ１１３の場合、フェライト磁石６ａないし６ｆに比べ磁力が強く、より大きなマグネットトルクが得られるとともに、磁力の変化が大きくトルクリップルが大きくなるものの、キャリア音の急激な変化に伴う聴感上の不快感の低減やキャリア音の大きい周波数帯域を避けてキャリア周波数を設定することにより、密閉型圧縮機の騒音の増大を防止するととともに、電動機部を小さくでき、小型な密閉型圧縮機を提供できる。

また、位置検出としては、誘起電圧を基準電圧とを比較する方式を紹介したが、正弦波駆動方式などに用いられる、電流検出による位置検出方式においても有効である。ただし、正弦波駆動では電流リップルが小さく加振力も小さくなるため、効果は小さいが同様の原理である。

以上のように、本発明にかかる密閉型圧縮機用ブラシレスＤＣモータのインバータ駆動装置は、インバータ駆動による密閉型圧縮機のキャリア音の低騒音化が可能となるので、密閉型圧縮機を用いた冷却システムを構成する冷蔵庫や空調装置等への用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１における密閉型圧縮機用ブラシレスＤＣモータのインバータ駆動装置の構成図 同実施の形態におけるブラシレスＤＣモータのステータの構造図 同実施の形態におけるブラシレスＤＣモータのロータの構造図 同実施の形態における密閉型圧縮機の断面図 同実施の形態における密閉型圧縮機の外観図 同実施の形態における密閉型圧縮機の共振周波数と振動レベルの相関図 同実施の形態におけるキャリア周波数制御の変化図 本発明の実施の形態２における密閉型圧縮機用ブラシレスＤＣモータのインバータ駆動装置の構成図 同実施の形態におけるキャリア周波数制御の変化図 同実施の形態における密閉型圧縮機の共振周波数と振動レベルの相関図 従来の密閉型圧縮機用ブラシレスＤＣモータのインバータ駆動装置の構成図 デジタル方式の位置検出回路図 インバータ駆動装置の各部の波形図 図１３における位置信号波形の詳細図 従来のブラシレスＤＣモータのステータ構造図 従来のブラシレスＤＣモータのロータ構造図 従来の密閉型圧縮機の断面図 従来の密閉型圧縮機の外観図

符号の説明

３ インバータ回路部
３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆ スイッチング素子
２１ 位置検出回路
２２ 回転速度検出手段
２３ 転流制御手段
２４ デューティ設定手段
２６ ドライブ制御手段
１０１，２０１ 制御回路部
１０２ ＰＷＭ制御手段
１０３ 過負荷検知手段
１０４，２０２ キャリア周波数設定手段
１０５ シェル共振退避手段
１０６ 機構要素共振退避手段
１０７ 合成共振退避手段
１１０ 電動機部
１１０ａ ブラシレスＤＣモータ
１１１ ステータ
１１１ａ 巻線
１１１ｃ スロット
１１１ｄ ティース部
１１２，１１３ ロータ
１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃ，１１２ｄ，１１２ｅ，１１２ｆ 磁石
１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃ，１１３ｄ，１１３ｅ，１１３ｆ 希土類磁石
１５１ 密閉型圧縮機
１５２ 圧縮機構部
１５３ 楕円形のシェル
１５４ クランクシャフト
１５５ ブロック
１５６ ピストン
１５７ コンロッド
１５８ ディスチャージライン
１６１ サスペンションスプリング
２０３ キャリア周期設定手段

Claims (11)

1. 電動機部を構成する複数相の巻線を有するステータと複数極の磁石を有するロータを備えたブラシレスＤＣモータと、前記ブラシレスＤＣモータのロータとクランクシャフトを介して接続されている圧縮機構部とを収納した密閉型圧縮機と、前記ブラシレスＤＣモータのステータの巻線に接続される複数個のスイッチング素子により構成されるインバータ回路部と、前記スイッチング素子の通電を制御して前記ブラシレスＤＣモータを回転数可変に駆動制御する制御回路部と、前記制御回路部において前記ロータの磁極位置を検出する位置検出回路と、前記位置検出回路からの位置信号に基づきロータの回転速度を算出する回転速度検出手段と、前記位置検出回路からの位置信号に基づき前記インバータ回路部のスイッチング素子の転流を制御する転流制御手段と、前記回転速度検出手段の回転速度情報と回転数指令に基づきＰＷＭ信号のデューティ値を設定するデューティ設定手段と、前記デューティ設定手段で設定されたデューティ値に基づきＰＷＭ信号のキャリア周波数を連続的に可変するキャリア周波数設定手段と、前記デューティ設定手段で設定されたデューティ値と前記キャリア周波数設定手段で設定されたキャリア周波数に基づきＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ制御手段と、前記転流制御手段の出力と前記ＰＷＭ制御手段の出力を合成し前記インバータ回路部のスイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦチョッピングするドライブ信号を発生するドライブ制御手段とを備えたインバータ駆動装置。
2. キャリア周波数設定手段は、キャリア周期を一定時間に一定量を変化させるキャリア周期設定手段を備えた請求項１に記載のインバータ駆動装置。
3. キャリア周波数設定手段は、キャリア周波数を密閉型圧縮機の密閉容器を構成するシェルとの共振周波数帯域を避けて変化させるシェル共振避退手段を備えた請求項１または２に記載のインバータ駆動装置。
4. キャリア周波数設定手段は、電動機部のステータとロータと、圧縮機構部を構成するクランクシャフト、ブロック、ピストン、コンロッド、ディスチャージラインと、前記圧縮機構部および電動機部を支持するサスペンションスプリングの少なくとも一つ以上の共振周波数帯域を避けてキャリア周波数を変化させる機構要素共振避退手段とを備えた請求項１から３のいずれか一項に記載のインバータ駆動装置。
5. キャリア周波数設定手段は、ある一定値以上の密閉型圧縮機の振動が発生する共振周波数帯域を回避してキャリア周波数を変化させる合成共振退避手段とを備えた請求項１から４のいずれか一項に記載のインバータ駆動装置。
6. 制御回路部はスイッチング素子の過負荷検知手段を備え、キャリア周波数設定手段は前記過負荷検知手段からの過負荷信号に基づき、キャリア周波数を高周波数から低周波数へ変化させる請求項１から５のいずれか一項に記載のインバータ駆動装置。
7. 密閉型圧縮機の密閉容器は楕円形状のシェルである請求項１から６のいずれか一項に記載のインバータ駆動装置。
8. 電動機部のステータはスロット間に設けられたティース部ごとに巻線を巻き付けた集中巻構造とした請求項１から７のいずれか一項に記載のインバータ駆動装置。
9. ブラシレスＤＣモータのロータは、鉄芯に磁石を埋め込まれた突極性を有するＩＰＭ構造のロータである請求項１から８のいずれか一項に記載のインバータ駆動装置。
10. ブラシレスＤＣモータのロータの磁石は希土類磁石である請求項１から９のいずれか一項に記載のインバータ駆動装置。
11. 冷凍サイクルを構成する冷蔵庫や空調機器に適用した請求項１から１０のいずれか一項に記載のインバータ駆動装置。