JP2006299809A - Motor-driven compressor - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、センサレスベクトル制御により3相正弦波駆動される電動圧縮機に関する。 The present invention relates to an electric compressor driven by a three-phase sine wave by sensorless vector control.
従来、1シリンダ形のロータリ圧縮機構部またはレシプロ圧縮機構部を備えた電動圧縮機の例として、例えば図5に示す1シリンダ形ロータリ電動圧縮機がある。この1シリンダ形ロータリ電動圧縮機は、一般に、センサレスベクトル制御により3相正弦波駆動される(例えば、特許文献1)。 Conventionally, as an example of an electric compressor provided with a one-cylinder rotary compression mechanism or reciprocating compression mechanism, there is a one-cylinder rotary electric compressor shown in FIG. The one-cylinder rotary electric compressor is generally driven by a three-phase sine wave by sensorless vector control (for example, Patent Document 1).
1シリンダ形ロータリ電動圧縮機は、図5に示すように、密閉ケース1で覆われている。密閉ケース1には、下部に吸込管2が取付けられ、上部に吐出管3およびターミナル端子4が設けられている。密閉ケース1の内部には、電動機部としてブラシレスDCモータ10が収容されているとともに、圧縮機構部20が収容されている。
The one-cylinder rotary electric compressor is covered with a sealed
ブラシレスDCモータ10は、ステータ11およびロータ12からなる。ステータ11の内周面には多数の磁極歯11aが配列され、これら磁極歯11aに複数の相巻線13が集中巻されている。ロータ12は、図6および図7に示すように、円盤状の多数枚の鋼板が軸方向に積層されることにより形成され、芯となる部分にシャフト14が通るとともに、そのシャフト14を囲む位置に4つの永久磁石片15が収容されている。ステータ11の各相巻線13に対する通電が順次切換えられることにより(転流)、各相巻線13に順次に磁界が生じ、それとロータ12の各永久磁石片5が作る磁界との相互作用により、ロータ12に回転トルクが生じる。
The
圧縮機構部20は、上記シャフト14を支持するためのメインベアリング21およびサブベアリング22を有し、この両ベアリング21,22間にシリンダ23を有している。シリンダ23内にはシャフト14の偏心部14aが収容される。この偏心部14aの外周にローラ24が装着され、そのローラ24の周りに圧縮室25が形成される。圧縮室25には吸込口26が連通され、その吸込口26に上記吸込管2が連通されている。また、シリンダ23において、圧縮室25と対応する位置に吐出口(図示しない)が形成されている。
The
ブラシレスDCモータ10が駆動されてロータ12およびシャフト14が回転することにより、圧縮機構部20のローラ24が偏心回転し、圧縮室25に吸入圧が生じる。この吸入圧によって吸込管2から圧縮室25に冷媒が吸込まれる。吸込まれた冷媒は圧縮室25で圧縮された後、上記吐出口から密閉ケース1内へ吐出される。密閉ケース1内へ吐出された冷媒は、上記吐出管3を介して上記冷凍サイクルに供給される。
When the
密閉ケース1の内底部には潤滑油(図示しない)が収容されている。この潤滑油は、圧縮機構部20の機械的な潤滑作用を確保しながら、圧縮機構部20を冷却する。
Lubricating oil (not shown) is accommodated in the inner bottom of the sealed
このような1シリンダ形ロータリ電動圧縮機のブラシレスDCモータ10を駆動するために、図8に示すようなセンサレスベクトル制御回路が用意されている。このセンサレスベクトル制御回路は、ブラシレスDCモータ10のロータ位置をセンサで直接的に検知せず、ロータ位置を駆動電流から推定し、推定したロータ位置に応じてブラシレスDCモータに対する駆動電圧を制御する。
上記の1シリンダ形ロータリ電動圧縮機では、1回転中の圧縮負荷トルクの変動が、図9に示すように非常に大きくなる。圧縮負荷トルクの変動は、モータの発生トルクとの不一致をもたらし、発生トルクと負荷トルクとの差に応じてロータの速度が1回転中で変動してしまう。 In the one-cylinder rotary electric compressor described above, the fluctuation of the compression load torque during one rotation becomes very large as shown in FIG. The fluctuation of the compression load torque causes a mismatch with the generated torque of the motor, and the rotor speed fluctuates during one rotation according to the difference between the generated torque and the load torque.
センサレスベクトル制御による3相正弦波駆動においては、駆動電流値やモータ定数(インダクタンス、直流抵抗)を用いた演算によりロータ位置を推定し、推定したロータ位置に応じて駆動電圧を制御しているが、ロータ位置の推定演算では、ロータの速度変化率(角加速度)が大きい場合に、推定に誤差が生じ、適切な駆動電圧を生成できないことがある。 In the three-phase sine wave drive by sensorless vector control, the rotor position is estimated by calculation using the drive current value and motor constants (inductance, DC resistance), and the drive voltage is controlled according to the estimated rotor position. In the estimation calculation of the rotor position, if the speed change rate (angular acceleration) of the rotor is large, an error may occur in the estimation, and an appropriate drive voltage may not be generated.
図9は、モータ駆動電流波形とロータ位置(無負荷誘起電圧波形で表わしている)との関係、および圧縮負荷トルクと回転数変動との関係を示しており、ロータの回転数が変動するとともに、モータ駆動電流が脈動し、かつ誘起電圧(=無負荷誘起電圧)と駆動電流の位相が揺動し、誘起電圧に対して電流が進んだり遅れたりしている。 FIG. 9 shows the relationship between the motor drive current waveform and the rotor position (represented by the no-load induced voltage waveform), and the relationship between the compression load torque and the rotational speed fluctuation. The rotational speed of the rotor varies. The motor drive current pulsates, and the phase between the induced voltage (= no-load induced voltage) and the drive current fluctuates, and the current advances or lags with respect to the induced voltage.
駆動電流が脈動したり、あるいは誘起電圧と駆動電流の位相の揺動があると、安定度が低下して異常停止しやすくなり、またモータの効率が大幅に低下し、電動圧縮機の効率が低下する。 If the drive current pulsates or the phase of the induced voltage and the drive current fluctuates, the stability will decrease and it will be easy to stop abnormally, and the motor efficiency will be greatly reduced, and the efficiency of the electric compressor will be reduced. descend.
これらの問題は、センサレスベクトル制御の制御周期を短くし、1回転中の演算出力の回数を増加させることである程度の改善が可能であるが、制御周期を短くするためにはより高速の演算処理が必要となり、制御ユニットが高価になる。 These problems can be improved to some extent by shortening the control cycle of sensorless vector control and increasing the number of computation outputs during one rotation, but in order to shorten the control cycle, faster computation processing And the control unit becomes expensive.
また、モータの小型化および高効率化のために永久磁石として希土類磁石を採用することが行われるが、希土類磁石を採用したモータのロータは小型のため慣性モーメントが小さく、回転数変動が大きくなって上記の問題が顕著になる。このため、センサレスベクトル制御により駆動される1シリンダ形ロータリ電動圧縮機には、希土類磁石を採用し難い。 In addition, rare earth magnets are used as permanent magnets in order to reduce the size and increase the efficiency of motors. However, since the rotors of motors using rare earth magnets are small, the moment of inertia is small and the fluctuations in rotational speed are large. The above problem becomes remarkable. For this reason, it is difficult to employ rare earth magnets in a one-cylinder rotary electric compressor driven by sensorless vector control.
この発明は、上記の事情を考慮したもので、高速の演算処理を要することなく、また余分な部材を要することなく、ロータの慣性モーメントを大きくすることができ、これによりセンサレスベクトル制御による3相正弦波駆動の安定度が増して異常停止や効率の低下を回避することが可能な信頼性にすぐれた電動圧縮機を提供することを目的とする。 In consideration of the above circumstances, the present invention can increase the moment of inertia of the rotor without requiring high-speed arithmetic processing and without requiring extra members, thereby enabling three-phase by sensorless vector control. An object of the present invention is to provide a highly reliable electric compressor capable of increasing the stability of sinusoidal driving and avoiding abnormal stoppages and lowering of efficiency.
請求項1に係る発明の電動圧縮機は、ロータおよびステータからなるモータを搭載し、かつ前記ロータが永久磁石を有するものであって、当該電動圧縮機の運転時の圧縮負荷トルク変動による角加速度が1000(rad/s−2)以下となるように前記ロータを構成している。 An electric compressor according to a first aspect of the present invention includes a motor including a rotor and a stator, and the rotor includes a permanent magnet, and is an angular acceleration due to a change in compression load torque during operation of the electric compressor. The rotor is configured so as to be 1000 (rad / s −2 ) or less.
この発明の電動圧縮機によれば、高速の演算処理を要することなく、また余分な部材を要することなく、ロータの慣性モーメントを大きくすることができ、これによりセンサレスベクトル制御による3相正弦波駆動の安定度が増して異常停止や効率の低下を回避することが可能となり、信頼性が向上する。 According to the electric compressor of the present invention, the inertia moment of the rotor can be increased without requiring high-speed arithmetic processing and without requiring an extra member, and thereby, three-phase sine wave drive by sensorless vector control. As a result, it is possible to avoid an abnormal stop and a decrease in efficiency, thereby improving reliability.
以下、この発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
図1に示すように、1シリンダ形ロータリ電動圧縮機は、密閉ケース31で覆われている。この密閉ケース31の下部に吸込管32が取付けられ、上部に吐出管33が取付けられている。さらに、密閉ケース31の上部にターミナル端子34が設けられている。密閉ケース31の内部には、電動機部としてブラシレスDCモータ40が収容されているとともに、圧縮機構部50が収容されている。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, the one-cylinder rotary electric compressor is covered with a sealed
ブラシレスDCモータ40は、ロータフレーム41a、このロータフレーム41aの内側に回転自在に設けられたロータ鉄心41b、このロータ鉄心41bの内周面にその周方向に沿って取付けられた4つの永久磁石43からなるロータ42、このロータ42の内側に設けられたステータ44、およびこのステータ44の中心を通るシャフト45からなる。シャフト45の上部は上記ケース41に結合されており、その結合により、ロータ42の回転がシャフト45に伝わる。
The
ステータ44の外周面には、図2に示すように、複数の磁極歯44aが配列され、これら磁極歯44aに複数の相巻線46が集中巻されている。ロータ42は、図3に示すように、環状の多数枚の鋼板を積層してなる。ステータ44の各相巻線46に対する通電が順次切換えられることにより(転流)、各相巻線46に順次に磁界が生じ、それとロータ42の各永久磁石43が作る磁界との相互作用により、ロータ42に回転トルクが生じる。
As shown in FIG. 2, a plurality of
圧縮機構部50は、上記シャフト45を支持するためのメインベアリング51およびサブベアリング52を有し、この両ベアリング51,52間にシリンダ53を有している。シリンダ53内にはシャフト45の偏心部45aが収容される。この偏心部45aの外周にローラ54が装着され、そのローラ54の周りに圧縮室55が形成される。圧縮室55には吸込口56が連通され、その吸込口56に上記吸込管32が連通されている。また、シリンダ53において、圧縮室55と対応する位置に吐出口(図示しない)が形成されている。
The
ブラシレスDCモータ40が駆動されてロータ42、ケース41、およびシャフト45が回転することにより、圧縮機構部50のローラ54が偏心回転し、圧縮室55に吸入圧が生じる。この吸入圧によって吸込管32から圧縮室55に冷媒が吸込まれる。吸込まれた冷媒は圧縮室55で圧縮された後、上記吐出口から密閉ケース31内へ吐出される。密閉ケース31内へ吐出された冷媒は、上記吐出管33を介して上記冷凍サイクルに供給される。
As the
密閉ケース31の内底部には潤滑油(図示しない)が収容されている。この潤滑油は、圧縮機構部50の機械的な潤滑作用を確保しながら、圧縮機構部50を冷却する。
Lubricating oil (not shown) is accommodated in the inner bottom portion of the sealed
以上のように構成された1シリンダ形ロータリ電動圧縮機の負荷トルク変動を、2シリンダ形ロータリ電動圧縮機の負荷トルク変動と対比して示したのが図4である。すなわち、1シリンダ形は2シリンダ形に比べて負荷トルクの変動が大きく、1回転中の平均に対して150%程度の変動を有している。2シリンダ形は、1回転中の平均に対して30%程度と小さい変動を有している。 FIG. 4 shows the load torque fluctuation of the one-cylinder rotary electric compressor configured as described above in comparison with the load torque fluctuation of the two-cylinder rotary electric compressor. That is, the 1-cylinder type has a larger fluctuation in load torque than the 2-cylinder type, and has a fluctuation of about 150% with respect to the average during one rotation. The 2-cylinder type has a small fluctuation of about 30% with respect to the average during one rotation.
家庭用の空気調和機に搭載される圧縮機の永久磁石ロータを含む回転系の慣性モーメントJは、一般に、フェライト磁石を使用したものでは6×10−4〜1.2×10−3(kg・m2)程度、希土類磁石を使用したものでは2×10−4〜5×10−4(kg・m2)程度である。 Inertia moment J of a rotating system including a permanent magnet rotor of a compressor mounted on a home air conditioner is generally 6 × 10 −4 to 1.2 × 10 −3 (kg) using a ferrite magnet. · M 2 ), and those using rare earth magnets are about 2 × 10 −4 to 5 × 10 −4 (kg · m 2 ).
運転中のモータ発生トルクがほぼ一定であるとすると、図4の例では最大で2.4(N・m)程度のトルク差ΔTが発生することになり、仮にフェライト磁石を使用していれば、角加速度dω/dt=ΔT/Jより、2000〜4000(rad/s−2)程度の角加速が発生する。希土類磁石を使用していれば、4800〜12000(rad/s−2)程度の角加速となる。 Assuming that the motor generated torque during operation is almost constant, in the example of FIG. 4, a torque difference ΔT of about 2.4 (N · m) is generated at the maximum. If a ferrite magnet is used, From the angular acceleration dω / dt = ΔT / J, angular acceleration of about 2000 to 4000 (rad / s −2 ) occurs. If a rare earth magnet is used, the angular acceleration is about 4800 to 12000 (rad / s −2 ).
トルク差ΔTは圧縮機の負荷条件によって変化し、負荷が大きいほど、圧縮比が大きいほど大きくなる。トルク差ΔTに比例して角加速度も変化するが、全ての運転条件において駆動不安定減少が発生しないようにすることが望ましい。 The torque difference ΔT varies depending on the load condition of the compressor, and increases as the load increases and the compression ratio increases. Although the angular acceleration also changes in proportion to the torque difference ΔT, it is desirable to prevent the drive instability from being reduced under all operating conditions.
そこで、角加速度と駆動不安定減少の関係に着目し、種々の試験を実施したところ、角加速度が1000(rad/s−2)以下の場合に、位置推定演算の誤差による駆動不安定現象が発生することが判った。 Therefore, when various tests were conducted focusing on the relationship between the angular acceleration and the driving instability reduction, when the angular acceleration was 1000 (rad / s −2 ) or less, the driving instability phenomenon due to the error in position estimation calculation occurred. It was found to occur.
運転時の圧縮負荷トルク変動による角加速度が1000(rad/s−2)以下となるような永久磁石ロータを採用することにより、1シリンダ形ロータリ電動圧縮機におけるセンサベクトル制御の3相正弦波電圧駆動において、駆動不安定現象の発生を防止できる。 A three-phase sinusoidal voltage for sensor vector control in a one-cylinder rotary electric compressor is adopted by employing a permanent magnet rotor whose angular acceleration due to fluctuations in compression load torque during operation is 1000 (rad / s −2 ) or less. In driving, it is possible to prevent the occurrence of unstable driving phenomenon.
ただし、インナーロータ形のモータで、角加速度を1000(rad/s−2)以下とするためには、非常に大きな永久磁石ロータを採用する必要がある。 However, in order to reduce the angular acceleration to 1000 (rad / s −2 ) or less with an inner rotor type motor, it is necessary to employ a very large permanent magnet rotor.
これに対し、図1に示すように、ロータ42がステータ44の外側に配されたアウタロータ形のブラシレスDCモータ40であれば、ロータ42の外径が大きく、よって質量が外径寄りに偏り、その結果、慣性モーメントが大きくなる。
On the other hand, as shown in FIG. 1, if the
一般に、アウタロータ形は、インナーロータ形に対して数倍から十数倍の慣性モーメントとなる。慣性モーメントがK倍となると、発生トルクと負荷トルクの差による回転数変動は理論上1/K倍となり、アウタロータ形の永久磁石モータでは1回転中の速度変化率(角加速度)が非常に小さくなる。 In general, the outer rotor type has a moment of inertia that is several to tens of times that of the inner rotor type. When the moment of inertia becomes K times, the rotational speed fluctuation due to the difference between the generated torque and the load torque is theoretically 1 / K times, and the outer rotor type permanent magnet motor has a very small speed change rate (angular acceleration) during one rotation. Become.
この結果、適切な設計を行うことにより、運転時の圧縮負荷トルク変動による角加速度を容易に1000(rad/s−2)以下に抑制することが可能であり、センサレスベクトル制御においける位置推定演算の誤差が減少し、これにより電流の脈動や位相の揺動が抑制されて、モータの効率の低下が防止される。 As a result, by performing an appropriate design, it is possible to easily suppress the angular acceleration caused by fluctuations in the compression load torque during driving to 1000 (rad / s −2 ) or less, and position estimation in sensorless vector control. The calculation error is reduced, thereby suppressing the pulsation of current and the fluctuation of phase, thereby preventing a reduction in motor efficiency.
また、永久磁石43として希土類磁石を採用して小形化を図った場合には、慣性モーメントが十分に大きくなるために運転時の圧縮負荷トルク変動による角加速度を容易に1000(rad/s−2)以下とすることが可能であり、位置推定誤差の増大による問題は生じない。
Further, when a rare earth magnet is employed as the
以上の構成により、高速の演算処理を要することなく、また余分な部材を要することなく、ロータ42の慣性モーメントを大きくすることができ、これによりセンサレスベクトル制御による3相正弦波駆動の安定度が増して異常停止や効率の低下を回避することが可能となり、電動圧縮機としての信頼性が大幅に向上する。しかも、希土類磁石の採用により、小形化および高効率化が図れる。
With the above configuration, the moment of inertia of the
なお、上記実施形態では、ロータリ圧縮機を例に説明したが、レシプロ圧縮機にも同様に実施可能である。また、1シリンダ形圧縮機だけでなく、複数シリンダ形で1シリンダ運転可能な圧縮機にも沿うように実施可能である。 In the above embodiment, the rotary compressor has been described as an example, but the present invention can be similarly applied to a reciprocating compressor. In addition to the one-cylinder compressor, the present invention can be implemented not only in a compressor that can operate in a single cylinder with a plurality of cylinders.
その他、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。 In addition, the present invention is not limited to the above-described embodiments as they are, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment.
31…密閉ケース、32…吸込管、33…吐出管、40…ブラシレスDCモータ、50…圧縮機構部、41a…ロータフレーム、41b…ロータ鉄心、42…ロータ、43…永久磁石、44…ステータ、44a…磁極歯、45…シャフト、46…各相巻線、53…シリンダ、54…ローラ、55…圧縮室、56…吸込口
DESCRIPTION OF
Claims (2)
運転時の圧縮負荷トルク変動による角加速度が1000(rad/s−2)以下となるように前記ロータを構成したことを特徴とする電動圧縮機。 In an electric compressor equipped with a motor comprising a rotor having a permanent magnet and a stator having a plurality of phase windings,
An electric compressor characterized in that the rotor is configured such that angular acceleration due to fluctuations in compression load torque during operation is 1000 (rad / s- 2 ) or less.
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JP2005117970A JP2006299809A (en) | 2005-04-15 | 2005-04-15 | Motor-driven compressor |
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CN101487645B (en) * | 2008-01-17 | 2012-07-18 | 思科普有限责任公司 | Refrigerant compressor arrangement |
US20130078123A1 (en) * | 2011-09-28 | 2013-03-28 | Kabushiki Kaisha Toyota Jidoshokki | Electric motor for a motor-driven compressor and said motor-driven compressor |
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2005
- 2005-04-15 JP JP2005117970A patent/JP2006299809A/en active Pending
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US20130078123A1 (en) * | 2011-09-28 | 2013-03-28 | Kabushiki Kaisha Toyota Jidoshokki | Electric motor for a motor-driven compressor and said motor-driven compressor |
US9188115B2 (en) * | 2011-09-28 | 2015-11-17 | Kabushiki Kaisha Toyota Jidoshokki | Electric motor for a motor-driven compressor and said motor-driven compressor |
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