JP2006002733A - 圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータ制御により、回転数を可変できる圧縮機において、駆動回路および圧縮機の低コスト化を実現する。
【解決手段】永久磁石を持たない回転子５と銅巻線、鉄板からなる固定子４とにより構成されるリラクタンスモータ（ＳＲモータ）６と、リラクタンスモータ６によって駆動される圧縮要素７と、冷媒が封入されリラクタンスモータ６と圧縮要素７とを収容する密閉容器１とからなり、駆動回転数を任意に可変出来るものであり、圧縮機のモータ６の回転子は永久磁石を持たず、鉄のみで構成されるシンプルな構造であるため、モータ６自身の材料費と、製造コストを低減でき、低価格なインバータ圧縮機を提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、主に冷蔵庫やエアコンに用いられるインバータ駆動の電動圧縮機に関するものである。

近年、地球環境保護意識の高まりから、家電製品の消費電力量の低減は重要な課題である。このような中で、家庭用冷凍冷蔵庫においては、モータ回転子に永久磁石を有したブラシレスＤＣモータを使用し、インバータ制御を行って、圧縮機の回転を商用電源周波数より低速で駆動することで、消費電力量を低減するものが知られている（例えば特許文献１参照）。

また、永久磁石を有した高価なブラシレスＤＣモータに代わり、安価なスイッチトリラクタンスモータをブラシレスモータとして応用するものもある（例えば特許文献２参照）。

図６は特許文献１に記載された、従来の圧縮機に使用されているモータ固定子の上面図、図７は従来の圧縮機に使用されているモータ回転子の上面図、図８は従来の圧縮機の駆動制御装置の回路図である。

図６から図８において、固定子２０１は、コア２０２に形成されたティース２０３に巻線２０４が直接的に巻回されている集中巻き型の固定子を形成する。回転子２０５は、鉄心２０６に板状の永久磁石２０７が埋め込まれているＩＰＭ型の回転子を形成する。圧縮機２０８には、固定子２０１と回転子２０５からなるモータ２０９にシャフト（図示せず）を介して圧縮機構２１０を動作させている。

商用電源２１１を整流する整流回路２１２は、倍電圧整流方式を採用しており、ＡＣ１００Ｖを入力として、ＤＣ２８０Ｖを出力としている。インバータ２１３は、スイッチ素子を３相ブリッジ接続した構成であり、整流回路２１２の直流出力を３相の任意電圧、任意周波数の出力に変換し、モータ２０９に電力を供給する。また各相に対して各々１２０°の通電を行うことで、矩形波の交番電流が供給される。

逆起電圧検出回路２１４は、モータ２０９の固定子巻線に発生する逆起電圧から、回転子の回転相対位置を検出し、ドライブ回路２１５は、インバータ２１３のスイッチ素子をオン／オフさせる。

転流回路２１６は、モータ２０９が定常運転しているときに、逆起電圧検出回路２１４の出力により、インバータ２１３のどの素子をオンさせるか決定する。ＰＷＭ制御回路２１７は、インバータ２１３のスイッチ素子の上側アームまたは下側アームのスイッチ素子をチョッピングし、ＰＷＭ（パルス幅変調）制御を行う。パルス幅のデューティ（パルス周期中のオン時間の割合）を増減させることで出力電圧を上昇・下降させることが出来る。

以上のように構成された圧縮機制御装置について、次に動作について説明する。

モータ２０９が停止状態から起動させる時には、逆起電圧が発生しないため、逆起電圧検出回路による回転子位置の検出は不可能である。従ってインバータ２１３から強制的に低周波数、低デューティの出力を出し、同期運転により強制的に回転子を回転させる（一般的に低周波同期駆動と呼ばれる）。

同期運転により、ある程度速度が上昇すると、モータ２０９の固定子巻線に逆起電圧が発生し、逆起電圧検出回路２１４からの位置検出信号を転流回路２１６で加工し、ドライブ回路２１５に与えることにより、通常の運転（位置検出によるフィードバック制御）を行うこととなる。

ＤＣモータは、印加電圧を変化させることで回転数を制御する事が可能であり、ＰＷＭ制御回路２１７からのデューティを大きくすると、回転数が上昇し、逆にデューティを小さくすると、回転数が低下することになる。

また、逆起電圧検出回路２１６の位置検出信号出力は、回転子の回転と完全に同期していることから、この信号により回転数を検出し、デューティを調節することで、モータの回転数制御が可能となる。

図９は、特許文献２に記載された従来のスイッチトリラクタンスモータ（以下ＳＲモータ）の回路図である。

図９において、ＳＲモータ１００は６個の突極を持つ固定子１０１と、４個の突極を持つ回転子１０２とからなる。固定子１０１の相対する２つの突極部分に各々固定子巻線１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｃが巻かれている。各々の固定子巻線１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｃは独立しているため、ＳＲモータ１００からの電力引き出し線は合計６本となっている。スイッチ素子１０４は、直流電源（図示せず）の正電源と固定子巻線１０３Ａの端子間に接続され、スイッチ素子１０５は、直流電源の負電源と固定子巻線１０３Ａのもう一方の端子間に接続されている。

また、スイッチ素子１０６は、直流電源の正電源と固定子巻線１０３Ｂとの端子間に接続され、スイッチ素子１０７は、直流電源の負電源と固定子巻線１０３Ｂのもう一方の端子間に接続されている。また、スイッチ素子１０８は、直流電源の正電源と固定子巻線１０３Ｃの端子間に接続され、スイッチ素子１０９は、直流電源の負電源と固定子巻線１０３Ｃのもう一方の端子間に接続されている。

また、モータの磁気回路からのエネルギーを回収するためにダイオード１１０〜１１５を設けている。各スイッチ素子１０４，１０６，１０８と固定子巻線１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｃの間に、直流電源の負電源側をアノードとしてダイオード１１０，１１１，１１２が各々接続されている。

また、各スイッチ素子１０５，１０７，１０９固定子巻線１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｃの間に、直流電源の正電源側をカソードとしてダイオード１１３，１１４，１１５が各々接続されている。

次にこのように構成された従来のＳＲモータについて、その動作を説明する。

回転子１０２が、図９に示した位置にある時、スイッチ素子１０４と１０５をオンにすると、巻線１０３Ａが励磁される。すると磁束が通りやすくなるように、即ち固定子１０１の突極部と回転子１０２の突極部が向かい合う方向を向くように、リラクタンストルクを発生させる。即ち回転子１０２は反時計回りに回転することになる。

両者の突極が完全に向かい合う前に、スイッチ素子１０４，１０５をオフすることにより、固定子巻線１０３Ａに蓄えられたエネルギーは、ダイオード１１０，１１３を介して電源側に回収される。

この動作を、回転子１０２の突極部の位置に応じて、順次固定子巻線１０３Ｂ，１０３Ｃの励磁を繰り返すことにより、回転子は回転を続けることになる。
特開平３−５５４７８号公報 特開２００１−１８６６９３号公報

しかしながら、特許文献１に示す上記従来の構成では、圧縮機モータの回転子には永久磁石が必要であり、モータ材料費と、マグネット埋め込み工数が増加し、モータコストが上がるため、低価格な圧縮機を提供することは困難という課題を有していた。

さらにモータを駆動するインバータ回路も３相のフルブリッジ構成であり、６石のスイッチ素子及び各々のスイッチ素子を駆動するためのドライブ回路が必要であり、回路の大型化と、高価なインバータ回路が必要であった。

また、特許文献２に示す上記従来のＳＲモータの構成では、スイッチ素子が６個、ダイオードが６個必要であり駆動回路が大型化してしまう課題と、高価な駆動回路が必要という課題があった。

さらにモータからの引き出し線が６本必要であり、３相ブラシレスＤＣモータに比べて多くの引き出し線が必要で、特に圧縮機の様な密閉容器から多くの線を引き出す事は非常に困難であり、圧縮機の大型化や工数増加といった課題を有している。さらに、トルク発生方向が回転子の半径方向であることから、回転子および固定子に発生する歪みにより圧縮機の振動及び騒音が増大してしまうという課題を有していた。

これらの課題のうち、スイッチ素子およびダイオードの個数、引き出し線の本数削減には、２相巻線構成とする方法が一般的であるが、この場合トルクリプルが増大し、振動および騒音がさらに大きくなる課題を有している。

さらに、２相巻線構成ではモータが逆回転する可能性を有しており、圧縮機の場合、逆転保護装置や、逆転検出装置を負荷する必要があり、コストアップが避けられない。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、低価格・低振動・低騒音を実現するインバータ圧縮機と、これを駆動する小型・低価格なインバータ回路を提供するものである。

上記従来の課題を解決するために、本発明の圧縮機は、永久磁石を持たない回転子と銅巻線、鉄板からなる固定子とにより構成されるリラクタンスモータと、前記リラクタンスモータによって駆動される圧縮要素と、冷媒が封入され前記リラクタンスモータと前記圧縮要素とを収容する前記密閉容器とからなり、駆動回転数を任意に可変出来る構成となっている。

これにより、回転子は鉄のみで構成されるシンプルな構造であるため、モータ自身の材料費と、製造コストを低減できる様になる。

また、前記リラクタンスモータを、回転子に自然数の３倍の数の第１突極部を有し、固定子に自然数の４倍の数の第２突極部を有し、前記第２突極部に２相の巻線が巻かれ、隣り合うお互い別相の前記巻線が巻かれた前記第２突極部同士は近接し、隣り合うお互い同相の前記巻線が巻かれた第２突極部同士は離れるように前記第２突極部の先端にティースが設けられたスイッチトリラクタンスモータとしたのである。

これにより２相のスイッチトリラクタンスモータ（ＳＲモータ）で有りながらモータの騒音および振動を大幅に低減することが可能となる。

また、回転子の第１突極部の回転方向に補助突極部を設けることにより、モータの逆転を防止できる。

さらに固定子外周部の隣り合う別相の巻線が巻かれたスロット部に磁気障壁を設けることにより、固定子の漏れ磁束が減少し、トルクを発生させる磁束量が増加する結果、モータ効率が向上する。

また、回転子の回転位置を検出する回転位置検出手段と、回転位置検出手段によって検出された回転位置に応じて巻線の通電を行う少なくとも２つのスイッチ素子とを備えることにより、スイッチ素子数の削減が可能となり駆動回路の小型・低コスト化が実現できる。

また、起動時スイッチ素子を一定時間強制的に通電し、通電完了後の他のスイッチ素子から起動を開始する制御回路を備えることで、起動時に固定子を所定の位置に固定することが可能となり、確実な起動を実現することができる。

本発明の圧縮機は、回転子に永久磁石を持たないリラクタンスモータとして、新たな構成の２相スイッチトリラクタンスモータ（ＳＲモータ）を使用し、２相モータの課題であったモータの逆転を排除したことで、圧縮機の材料コストの低減出来ると共に、圧縮機の駆動回路も低コストで構成でき、逆転保護機能、逆転検出回路等を付加する必要が無いため、低価格なインバータ制御の冷凍システムを提供できる。

さらに本発明による圧縮機のＳＲモータは、従来のＳＲモータにおける課題であった振動および騒音を大幅に低減できることから、低振動・低騒音の圧縮機が実現できる。

また、漏れ磁束の低減によりトルクを発生するための有効磁束量を増大出来る結果、モータ効率向上による圧縮機ＣＯＰを向上することが可能となるため、冷蔵庫あるいはエアコンの消費電力量を低減することが実現できる。

また、起動時に固定子を確実に所定位置に固定することにより、確実な起動が実現できるようになり、起動不良による冷却不良を回避することが出来る。

請求項１に記載の圧縮機の発明は、永久磁石を持たない回転子と銅巻線、鉄板からなる固定子とにより構成されるリラクタンスモータと、前記リラクタンスモータによって駆動される圧縮要素と、冷媒が封入され前記リラクタンスモータと前記圧縮要素とを収容する密閉容器とからなり、駆動回転数を任意に可変出来るものであり、圧縮機のモータの回転子は永久磁石を持たず、鉄のみで構成されるシンプルな構造であるため、モータ自身の材料費と、製造コストを低減できる結果、圧縮機の構成部品のなかで大きなコストを占めるモータ自体の価格を抑えることが出来るので、低価格なインバータ圧縮機を提供することができる。

請求項２に記載の圧縮機の発明は、請求項１に記載の発明におけるリラクタンスモータが、回転子に自然数の３倍の数の第１突極部を有し、固定子に自然数の４倍の数の第２突極部を有し、前記第２突極部に２相の巻線が巻かれ、隣り合うお互い別相の前記巻線が巻かれた前記第２突極部同士は近接し、隣り合うお互い同相の前記巻線が巻かれた第２突極部同士は離れるように前記第２突極部の先端にティースが設けられたスイッチトリラクタンスモータであるものであり、２相モータで有りながらモータの騒音および振動を大幅に低減することが可能となり、低振動・低騒音の圧縮機を提供することができる。

請求項３に記載の圧縮機の発明は、請求項２に記載の発明における回転子の第１突極部の回転方向に補助突極部を設けたものであり、モータの逆転を防止できるようになり、圧縮機の逆転防止機能や逆転検出回路等を付加する必要が無く、低コストな冷却システムを構成することが可能となる。

請求項４に記載の圧縮機の発明は、請求項２または３に記載の発明における固定子の外周部の隣り合うお互いの別相の巻線が巻かれたスロット部に磁気障壁を設けたものであり、固定子の漏れ磁束が減少し、トルクを発生させることが出来る磁束量が増加し、モータ効率が向上する結果、圧縮機のＣＯＰを上げることができ高効率な冷却システムを提供することができる。これにより冷蔵庫やエアコンの消費電力量を低減する事ができる。

請求項５に記載の圧縮機の発明は、請求項２から４のいずれか一項に記載の発明に加えて、回転子の回転位置を検出する回転位置検出手段と、前記回転位置検出手段によって検出された回転位置に応じて前記巻線の通電を行う少なくとも２つのスイッチ素子とを備えたものであり、スイッチ素子の削減が可能となり駆動回路の小型・低コスト化が実現できる結果、低価格なインバータ冷却システムを提供することが可能となる。

請求項６に記載の圧縮機の発明は、請求項２から５のいずれか一項に記載の発明に加えて、巻線の通電を行う少なくても２つのスイッチ素子と、起動時前記スイッチ素子を一定時間強制的に通電し、通電完了後の他のスイッチ素子から起動をスタートするようにした制御回路とを備えたものであり、起動時に固定子を所定の位置に固定することが可能となり、確実な起動を実現出来ることから、圧縮機の起動不良による、冷蔵庫あるいはエアコンの冷却不良を防止することができる。

請求項７に記載の圧縮機の発明は、請求項１から６のいずれか一項に記載の発明における圧縮要素が、圧縮室を形成するシリンダと、前記圧縮室内に往復自在に挿入されたピストンと、主軸部および偏芯軸部を備えたクランクシャフトと、前記ピストンと前記編芯軸を連結する連結手段とを備えたものであり、レシプロ型の機構において請求項１から請求項６に記載の発明と同様の効果を得ることができる。さらにレシプロ型の圧縮機では、構造上モータによる騒音および振動が圧縮機外部にでにくいため、騒音及び振動はより小さくすることが出来る。

請求項８に記載の圧縮機の発明は、請求項１から７のいずれか一項に記載の発明における冷媒がＲ６００ａであるものであり、商用電源周波数以上の高速駆動が可能となるため、冷凍能力が低い冷媒においても圧縮機のピストンが小さくでき、圧縮機の振動を小さく出来る。

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。尚、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。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態による圧縮機の断面図、図２は同実施の形態による圧縮機のスイッチトリラクタンスモータ（ＳＲモータ）の断面図である。

図１において、密閉容器１内にはオイル２を貯溜するとともにＲ６００ａの冷媒３が封入され、固定子４と回転子５からなるスイッチトリラクタンスモータ６及びこれによって駆動される圧縮要素７がスプリング等により弾性的に支持されており、モータによる騒音および振動が圧縮機外部に漏れにくい構成となっている。

圧縮要素７は、回転子５が固定された主軸部８及び偏芯軸部９から構成されたクランクシャフト１０と、クランクシャフト１０の主軸部８を軸支すると共に圧縮室１１を有するシリンダ１２と、圧縮室１１内で往復運動するピストン１３と、偏芯軸部９とピストン１３を連結する連結手段１４とを備え、レシプロ型の圧縮機構を構成している。

図２において、回転子５は、ほぼ等間隔で６つの突極部１５（第１突極部）を有する。即ち６個の山を持つ歯車形状をしている。また、各々の山と谷は、ほぼ等間隔でならんでいる。また回転子５には、リラクタンスのアンバランスを発生させるために、補助突極部１５Ａを６つの突極部１５の回転方向に設けている。図２の場合、回転子５の回転方向は反時計回りである。

固定子４には８個の突極部１６（第２突極部）を有している。各突極部には各々ティース１７を持ち、ティース１７は突極部１６の片側のみにあり、ティース１７がある側の突極部１６は同様にティースを有するようにしているので、お互いの突極部１６は隣接することになる。

一方、突極部１６のティース１７の無い側の突極部１６はティース１７が無いため、お互いの突極部は離れることになる。即ち、この構造は交互に突極部１６があるのではなく、ほぼ等間隔で２つ連続して存在し、その後一つ分の突極間隔とほぼ同間隔で何もない区間が存在する事になる。

Ａ相の巻線１８、Ｂ相の巻線１９は固定子４の８カ所の突極部１６に集中巻きで巻かれている。また互いに隣り合い近接している突極部には別の相の巻線が巻かれ、一方の隣り合い離れている突極部１６には同じ相の巻線が巻かれている。

磁気障壁２０は、固定子４の円周上で隣り合うお互いの別相の巻線が巻かれたスロットの部分に設けられている。ここでは単に穴をあけることによって空気層による磁気障壁を実現している。

以上の様に構成されたスイッチトリラクタンスモータ（ＳＲモータ）について、その動作を図２により説明する。

図２においてＡ相の巻線１８が励磁されているとする。この時磁路は、磁路２１に示す経路となる。今、回転子５は磁路に対してもっとも磁束が通りやすい位置にあり、巻線インダクタンスは最大となっている。

次にＡ相の巻線１８の励磁を停止し、その磁気エネルギーが完全に無くなった状態で、次にＢ相の巻線１９を励磁する。Ａ相の場合同様に隣り合い、しかも離れた突極部１６に磁路が発生する。

しかし、図示された位置での磁路は不完全なので、磁路を形成する方向にリラクタンストルクが発生する。この時、回転子５に設けられた補助突極部１５Ａによる磁路のアンバランスを是正するために、回転子５は反時計方向に回転することになる。

この動作を繰り返すことにより、回転子５は回転を続けることとなり、回転子５の回転運動を、クランクシャフト１０、偏芯軸部９により往復運度に変換され、連結されたピストン１３の往復運動により、シリンダ１２内への冷媒の吸入、および圧縮、吐出といった動作を行う。

尚、実際には励磁を切っても蓄積されたエネルギーがすぐには放出されないため、図示された位置まで励磁されることはなく、その前に励磁を遮断することになる。

本モータでのトルクは、６カ所の内４カ所の突極部で発生しているため、発生する力が分散される結果、固定子及び回転子の歪みを小さくすることが出来、振動及び騒音が低減する。また突極部１６の利用効率が高いことからモータ効率が向上することから、圧縮機のＣＯＰが上がり、冷蔵庫やエアコンの消費電力の低減が実現する。

各相の巻線の励磁によって発生する磁路は隣り合い、しかも離れた突極部１６に発生するので、固定子４の外周上に設けた磁気障壁２０の部分には磁路は存在せず、磁気障壁２０によって磁束の漏洩を防止できるので、磁束を有効に活用出来る。

次に、本ＳＲモータを搭載した圧縮機の駆動回路について説明する。図３は本発明の実施の形態１における圧縮機の駆動回路である。

図３において、Ａ相巻線１８、Ｂ相巻線１９は、図２に示す各相４本の巻線を直列に接続している。直流電源２２はモータ駆動用の電源であり、商用電源を入力として、整流および平滑回路により得られる。

本実施の形態において、第１スイッチ素子２３および第２スイッチ素子２４、第３スイッチ素子２５には、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）を用いている。

第１および第２スイッチ素子のエミッタは、直流電源２２の負端子に接続され、コレクタはそれぞれＡ相巻線１８、Ｂ相巻線１９の一端に接続している。また、第３スイッチ素子２５のコレクタは、直流電源２２の正端子に接続され、エミッタはＡ相巻線１８およびＢ相巻線１９の他端に接続している。

モータの磁気回路からのエネルギーを回収するためのダイオードは３個有しており、ダイオード２６は第１スイッチ素子２３のコレクタと直流電源２２の正端子に接続され、ダイオード２７は第２スイッチ素子２４のコレクタと直流電源２２の正端子に接続されている。またダイオード２８は第３スイッチ素子２５のエミッタと直流電源２２の負端子に接続されている。

回転位置検出手段（回転位置検出回路）２９には、一般的にはエンコーダやホールセンサ等が用いられるが、圧縮機では、密閉された容器内にモータが格納されており、モータは高温冷媒および高温オイルにさらされるため、モータに流れる電流から回転子５の相対位置を推定する事で検出している。

制御回路３０では回転位置検出手段２９により推定した回転子５の位置情報をもとに巻線を励磁する信号を作り出し、その信号に応じて第１、第２、第３スイッチ素子のオン・オフを制御するものである。

以上の様に構成された駆動回路について、その動作を図３と図４により説明する。

図４は本発明の実施の形態１の駆動回路の動作を示すタイミングチャートと、モータ回転中の駆動回路の動作波形を示している。

図４の（ａ）はＡ相巻線１８とＢ相巻線１９のインダクタンス変化であり、Ａ相巻線を実線、Ｂ相巻線を波線で示している。固定子４の突極部１６と回転子５の突極１５が相対したとき、インダクタンスは最大となり、インダクタンス最小部では回転子５の補助突極部１５Ａによるアンバランスが発生する。

図４の（ｂ）は回転位置検出手段２９からの位置信号で、図４の（ｃ），（ｄ），（ｅ）は、それぞれ第１、第２、第３スイッチ素子のゲート信号波形、図４の（ｆ），（ｇ）は、それぞれＡ相巻線、Ｂ相巻線に流れる電流波形を示している。

回転子５の回転に伴い、図４の（ｂ）に示す様に、回転位置検出回路２９からの位置信号は変化する。ここでは回転子５の突極部１５と固定子４の突極部１６が相対する位置で位置信号が変化するようにしている。

尚、図１に示している構造のモータの場合、回転位置検出手段からの出力信号が１２回変化した時点が機械的な１回転となる。

Ａ相巻線１８のインダクタンスが正の傾きで変化しているとき、Ａ相巻線１８を励磁すると正方向の回転トルクが発生する。従って回転位置検出手段２９からの位置信号が‘Ｌ’レベルから‘Ｈ’レベルに変化する正方向エッジを検出した後に、Ａ相巻線１８を励磁するために、第１スイッチ素子２３をオンして電流を流す。

また、回転数を調整するために第１スイッチ素子はＰＷＭ（パルス幅変調）制御することによりその電流を図４の（ｆ）に示すように制御を行う。

また、第１スイッチ素子２３をオフにしても、Ａ相巻線１８のインダクタンスにより電流はすぐに遮断出来ない。このようにＡ相巻線１８のインダクタンスが負の傾きで変化しているとき、Ａ相巻線１８が励磁すると負方向の回転トルクが発生し、回転子の回転に対してブレーキがかかるため、モータ効率が低下してしまう。

従って、回転位置検出手段２９からの位置信号が負方向エッジを検出するまでにＡ相巻線の励磁を停止させるために、所定時間前に第１スイッチ素子２３をオフさせ、負トルクが発生するまでに電流を遮断または、殆ど影響ないレベルにまで減少させる。

ここで第３スイッチ素子２５を第１スイッチ素子２３と同期させてオンにし、同期させてオフにすることにより、次のような動作を行う。ただし、第３スイッチ素子２５は、図４の（ｅ）に示すようにＰＷＭ制御は行わない。

電流が流れている状態で、第１スイッチ素子２３と第３スイッチ素子２５を同時にオフにすると、Ａ相巻線１８のエネルギーは、ダイオード２６とダイオード２８とを介して、エネルギーを直流電源２２に回収することにより、電流が減少する率を増加させ時間を短くすることができる。

第２スイッチ素子２４は、Ｂ相巻線１９のインダクタンスの変化に従って、第１スイッチ素子２３と同様な状態で動作させることによって回転を継続させる。

第３スイッチ素子２５は、第２スイッチ素子２４がオンしているタイミングで同期してオンとする。すなわち、第３スイッチ素子２５は、第１スイッチ素子２３がオン、または第２スイッチ素子２４がオンする時にＰＷＭ制御を入れないでオンさせる。

本実施の形態１では、スイッチ素子を３個使用しているが、第３スイッチ素子２５は、巻線の励磁をオフさせた時の電流の傾きを大きくするものであるので、インダクタンスの値などにより変わるので、削減することも可能である。この時同時にダイオード２８も削減できることになる。

次に起動時の動作について図５を用いて説明する。図５は本発明の実施の形態１の駆動回路の起動時の動作を示すフローチャートである。

ＳＴＥＰ１で停止状態から運転信号が入力される。前回停止した時に回転子５は、どの位置で止まっているか確定できないため、まず回転子５の位置を所定位置まで移動させる。そのためにＳＴＥＰ２でＡ相巻線１８に一定時間通電することにより、回転子５の突極部１５と固定子４の突極部１６とが相対する位置に回転子５を持ってくる。

ここで通電のレベル（例えばＰＷＭ制御のデューティ）は回転子５を移動させるのに十分なレベルであり、一定時間は移動後回転子５の回転振動が十分に収まる時間をいう。

次に回転子５が所定位置迄移動後、ＳＴＥＰ３でＢ相巻線１９への通電をスタートする。すると補助突極部１５Ａによるインダクタンスのアンバランスにより、所定方向（本実施の形態１においては反時計まわり方向）に回転がスタートする。ＳＴＥＰ２で所定位置に回転子５は移動しているので、回転方向は回転子５の補助突極部１５Ａにより決定され、逆転することなく正常に回転行動に移ることができる。

次にＳＴＥＰ４で回転位置検出回路２９からの位置信号による転流に切り替え、回転を継続させる。ＳＴＥＰ５で印加電圧を上昇（ＰＷＭ制御のデューティ幅を上昇）させ、回転数を増加させていく。

目標とする回転数まで到達すると、ＳＴＥＰ６で印加電圧の上昇を停止させ、ＳＴＥＰ７で回転数制御に入る。ここでは回転数を見ながら印加電圧の微調整を行う。

以上説明した通り、本発明の実施の形態１において、６個の突極部１５を持つ回転子５と、固定子４と、固定子４に設けられた８個の突極部１６と、突極部１６に巻かれた２相の巻線１８，１９と、隣り合うお互い別相の巻線１８，１９が巻かれた突極部１６は近接し、隣り合うお互い同相の巻線１８，１９が巻かれた突極部１６は離れるように設けたティース１７とからなるＳＲモータ構造としたものであり、２相巻線でありながらリタクタンスの変化は連続的となり、トルクリップルが小さくなると共にトルク発生方向が４方向となり、分散することができるため、モータの騒音および振動が非常に小さくなる結果、圧縮機の騒音および振動を低減できる。

本実施の形態において、圧縮機はレシプロ型であるため、モータによる騒音及び振動は圧縮機の外部に伝わりにくい構成となっているため、冷蔵庫やエアコン等の低騒音化および低振動化には大きな効果が得られる。

また、回転子５の突極部１５の回転方向側に設けた補助突極部１５Ａを設けることにより、補助突極部１５Ａによりリラクタンスにアンバランスを生じさせることができ、逆転が無くなり、逆回転に対する配慮が不要となるため、逆転保護機能、逆転検出回路等を付加する必要が無く、このモータを搭載した圧縮機の採用により、低価格なインバータ制御の冷凍システムを提供できる
固定子４の外周部の隣り合うお互いの別相の巻線１８，１９が巻かれたスロット部に設けた磁気障壁２０を備えることにより、片相を励磁した場合、他相への磁気漏洩を防ぐことで、モータ効率を向上出来る為、圧縮機ＣＯＰ向上による冷蔵庫あるいはエアコンの消費電力量を低減することが可能になる。

回転子５の回転位置を検出する回転位置検出手段２９と、回転位置に応じて巻線の通電を行う２つのスイッチ素子２３，２４とを備えることにより、少なくとも２つのスイッチ素子２３，２４で回転させることができるので、駆動回路が小型化になり、しかも工数が大幅に削減できコストも大幅に削減できる。しかも、モータからの引き出し線は３本であり、従来の３相モータを使用した圧縮機と同等であり、圧縮機の大型化が防止できる。

起動時スイッチ素子を一定時間強制的に通電し、通電完了後の他のスイッチ素子から起動をスタートするようにした制御回路とを備えたスイッチトリラクタンスモータとすることにより、起動時に所定位置まで回転子を回転させ、常に安定した起動をすることができるため、起動不良による冷蔵庫およびエアコンの冷却不良を防止することが可能である。

尚、実施の形態１における説明において、スイッチ素子２３，２４，２５はＩＧＢＴとしたが、ＦＥＴ等別のスイッチ素子を用いても特に問題ない。

以上のように、本発明による圧縮機は、圧縮機と駆動回路を低価格で提供できるので、自動販売機、店舗用ショーケース、除湿器等の圧縮機を利用した機器等へも適用できる。

本発明の実施の形態１の圧縮機の断面図 本発明の実施の形態１の圧縮機に使用したスイッチトリラクタンスモータ（ＳＲモータ）の断面図 本発明の実施の形態１の圧縮機の駆動回路を示す図 本発明の実施の形態１の駆動回路の動作を示すタイミングチャート 本発明の実施の形態１の駆動回路の起動時の動作を示すフローチャート 従来の圧縮機の固定子の上面図 従来の圧縮機の回転子の上面図 従来の圧縮機の駆動制御装置の回路図 従来のスイッチトリラクタンスモータの回路図

符号の説明

１ 密閉容器
３ 冷媒
４ 固定子
５ 回転子
６ スイッチトリラクタンスモータ
７ 圧縮要素
８ 主軸部
９ 偏芯軸部
１０ クランクシャフト
１１ 圧縮室
１２ シリンダ
１３ ピストン
１４ 連結手段
１５ 第１突極部
１６ 第２突極部
１７ ティース
１８，１９ 巻線
２０ 磁気障壁
２３，２４，２５ スイッチ素子
２９ 回転位置検出手段
３０ 制御回路

Claims (8)

1. 永久磁石を持たない回転子と銅巻線、鉄板からなる固定子とにより構成されるリラクタンスモータと、前記リラクタンスモータによって駆動される圧縮要素と、冷媒が封入され前記リラクタンスモータと前記圧縮要素とを収容する密閉容器とからなり、駆動回転数を任意に可変出来る圧縮機。
2. リラクタンスモータは、回転子に自然数の３倍の数の第１突極部を有し、固定子に自然数の４倍の数の第２突極部を有し、前記第２突極部に２相の巻線が巻かれ、隣り合うお互い別相の前記巻線が巻かれた前記第２突極部同士は近接し、隣り合うお互い同相の前記巻線が巻かれた第２突極部同士は離れるように前記第２突極部の先端にティースが設けられたスイッチトリラクタンスモータである請求項１に記載の圧縮機。
3. 回転子の第１突極部の回転方向に補助突極部を設けた請求項２に記載の圧縮機。
4. 固定子の外周部の隣り合うお互いの別相の巻線が巻かれたスロット部に磁気障壁を設けた請求項２または３に記載の圧縮機。
5. 回転子の回転位置を検出する回転位置検出手段と、前記回転位置検出手段によって検出された回転位置に応じて前記巻線の通電を行う少なくとも２つのスイッチ素子とを備えた請求項２から４のいずれか一項に記載の圧縮機。
6. 巻線の通電を行う少なくても２つのスイッチ素子と、起動時前記スイッチ素子を一定時間強制的に通電し、通電完了後の他のスイッチ素子から起動をスタートするようにした制御回路とを備えた請求項２から５のいずれか一項に記載の圧縮機。
7. 圧縮要素は、圧縮室を形成するシリンダと、前記圧縮室内に往復自在に挿入されたピストンと、主軸部および偏芯軸部を備えたクランクシャフトと、前記ピストンと前記編芯軸を連結する連結手段とを備えた請求項１から６のいずれか一項に記載の圧縮機。
8. 冷媒がＲ６００ａである請求項１から７に記載の圧縮機。

Images