JP2008011662A - 空気調和機の室外ファン用ブラシレスモータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ブラシレスモータの負荷範囲を最大限に確保しつつ、ステータ巻線に過電流が流れた際に磁石の減磁を回避するための電流遮断機能の応答性を損なうことなく有すること。
【解決手段】空気調和機のファン用ブラシレスモータ駆動装置において、電圧比較回路７の電流遮断閾値は、減磁電流未満で、雰囲気温度と連続運転時間に応じて２つの電流遮断閾値をもたせることにより、２のステータ巻線に流れる電流は上昇したとき、マイクロコンピュータ５からインバータ回路へのゲート信号を遮断する保護回路８が、ステータ巻線の電流値がブラシレスモータの雰囲気温度に相当する減磁電流を超さないように電流ゲート信号をマイクロコンピュータ５の処理に関係なく即時遮断し、電流増加を抑制する。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気調和機用の室外ファン用ブラシレスモータを対象した、ブラシレスモータの減磁作用を防止する駆動装置に関するものである。

空気調和機のファン用モータとしては一般的にフェライト系磁石が採用されている。ファン用モータの負荷は一様でなく、冷凍サイクルに応じたファン速制御に加え、逆風や順風、また電源電圧変動などの外的要因により過大な負荷が生じる場合がある。このようなときには、ステータに過大な電流が流れ、その過大電流によって発生する磁界により、ロータのフェライト磁石が減磁してしまうことがある。特にフェライト磁石は低温時において減磁が生じやすい特性を示し、常温時より低い電流値で減磁に至ってしまう。このため空気調和機の室外ファンにおいては、冬季において減磁が生じやすい傾向となる。

従来、ファン用モータの減磁を防止するための手段としては、ステータに流れる電流が減磁電流を超えない範囲でＰＷＭ通電のデューティ比を設定し、所定の電流制限値を温度検出手段によって検出される雰囲気温度が低くなるほど小さく設定するという手段が用いられていた。（例えば、特許文献１参照）。

図４は特許文献１に記載された従来の空気調和機のファン用ブラシレスモータ駆動装置を示すものである。また図５はマイクロコンピュータからスイッチング素子のゲート端子へ入力されるゲート信号の波形を示すものである。図４において、６はブラシレスモータのステータに流れる電流を検出する電流センサであり、４はブラシレスモータの雰囲気温度を検知する温度センサである。マイクロコンピュータから出力される各スイッチング素子へのゲート信号は、ホールＩＣからの出力信号に基づいて通電パターンとデューティ比が決定される。ゲート信号のデューティ比は、ブラシレスモータの減磁電流を超えないように、電流センサが検知する電流値に対応して制限が設けられる。また、ブラシレスモータの減磁電流が温度により変動することに対応するため、ブラシレスモータの雰囲気温度を検知する温度センサの出力に応じて図５に示すとおり、デューティ比の上限をＴ＞０とＴ＜０で個別に設定している。
特開２００３−３１９６９０号公報

しかしながら、前記従来の構成では、電流センサの出力が所定の電流値を上回ってから、マイクロコンピュータが電流値を検知してデューティ比を減少させるまでにマイクロコンピュータの処理能力に依存する時間だけ遅延が生じてしまうため、電源電圧や負荷の急激な変動により急激に電流が増大した場合にはブラシレスモータの減磁電流を超える電流が流れてしまう可能性があるという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、電圧値の急峻な変動に対して応答性を損なうことなく、ステータの電流値がブラシレスモータの減磁電流を超えることを防止し、かつブラシレスモータの回転性能を最大限に利用するために、減磁電流の温度特性を考慮した保護機能を有する駆動装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の空気調和機の室外ファン用ブラシレスモータ駆動装置は、ブラシレスモータが搭載される室外機熱交換器の吸込み温度を検出する温
度検出手段と、前記ブラシレスモータを駆動するインバータ手段を介してステータ巻線に流れる電流を検出し電圧値に変換する電流検出手段と、前記電流検出手段によって得られる電圧値と閾値電圧を入力端と有し両者の電圧の大小に応じて２値の出力がなされる電圧比較手段と、前記電圧比較手段の出力に応じて前記駆動装置からのＰＷＭ信号を遮断する保護手段と、前記室外ファン用ブラシレスモータの起動開始からの連続運転時間を計測する運転時間計測手段を備えたものである。前記電圧比較手段はマイクロコンピュータの処理時間による遅延が生じないので、閾値電圧を前記ブラシレスモータの減磁電流未満に設定することにより、ステータ巻線へ流れる電流を減磁電流レベル未満に抑制することができる。

また、前記保護手段の電流遮断閾値は、前記温度検出手段によって検出される雰囲気が低くなるにしたがって小さく設定することにより、減磁電流の温度特性により変動してもステータ巻線へ流れる電流は減磁電流未満に抑制することができる。

さらに、前記運転時間計測手段によって計測される連続運転時間が短いほど、前記保護手段の電流遮断閾値を小さく設定することにより、連続運転によるブラシレスモータの温度上昇を加味した電流遮断閾値の設定が可能となる。

本発明の空気調和機の室外ファン用ブラシレスモータ駆動装置は、前記ブラシレスモータのステータ巻線へ流れる電流が上昇し、電流値が遮断すべき値になったときに、マイクロコンピュータを介することなく、インバータ手段への入力信号を遮断することから、応答性の向上を図ることができる。また、電流値の遮断すべき値を減磁電流の温度特性に対応させることにより、一律の値にするよりもファンモータの負荷範囲を広げることが可能となる。

第１の発明は、２個のスイッチング素子を順方向に直列接続し、その相互接続点をインバータ出力端とするインバータアームを少なくとも３組備えた、空気調和機の室外ファン用ブラシレスモータのステータ巻線に電流を供給するインバータ手段と、前記ブラシレスモータのロータの磁極位置を検出するホール素子と、前記ブラシレスモータを駆動するために、前記ホール素子の出力信号に応じて、前記インバータ手段の上アーム及び下アームのそれぞれ少なくとも１相を通電し、通電する相の少なくともいずれかはＰＷＭ通電することによりロータ回転数を調整する制御手段とを備える空気調和機の室外ファン用ブラシレスモータの駆動装置において、前記ブラシレスモータが搭載される室外機熱交換器の吸込み温度を検出する温度検出手段と、前記インバータ手段に流れる電流を検出し電圧値に変換する電流検出手段と、前記電流検出手段によって得られる電圧値と閾値電圧を入力端に有し両者の電圧の大小に応じて２値の出力がなされる電圧比較手段と、前記電圧比較手段の出力に応じて前記駆動装置からのＰＷＭ信号を遮断する保護手段と、前記室外ファン用ブラシレスモータの起動開始からの連続運転時間を計測する運転時間計測手段を備え、前記電圧保護手段の閾値電圧は、前記温度検出手段によって検出される雰囲気が低く、また前記運転時間計測手段によって計測される連続運転時間が短いほど小さく設定される可変電圧源にすることにより、前記ブラシレスモータのステータ巻線へ流れる電流が上昇し、電流値が遮断すべき値になったときに、マイクロコンピュータを介することなく、インバータ手段への入力信号を遮断することから、応答性の向上を図ることができる。また、可変電圧源の電圧を調整し電流値の遮断すべき値を減磁電流の温度特性に対応させることにより、一律の値にするよりもブラシレスモータの負荷範囲を広げることが可能となる。

第２の発明は、前記温度検出手段は室外機熱交換器の温度検出手段で代用することにより、室外機の温度センサが不要となり、センサ搭載に必要なコストを削減することが可能
となる。

第３の発明は、前記温度検出手段の出力値が一定値未満の場合には常にブラシレスモータを回転させ続けることにより、ブラシレスモータの温度が低下することを避け、低温時におけるブラシレスモータの負荷範囲を拡大させることが可能となる。

第４の発明は、前記電圧比較手段の閾値電圧を、駆動装置の制御電源とからの抵抗分圧回路出力により得て、前記抵抗分圧回路の高圧側または低圧側の抵抗に対して少なくとも１つ以上並列にスイッチ素子と抵抗とを直列接続した部分を備え、雰囲気温度に応じて前記スイッチ素子の開閉し閾値電圧を変動させることにより、抵抗とスイッチ素子という単純な構成により、電流値の遮断すべき値を減磁電流の温度特性に対応させ、一律の値にするよりもブラシレスモータの負荷範囲を広げることが可能となる。

第５の発明は、前記保護手段の出力部にＯＦＦラッチ手段を備え、前記ＰＷＭ信号を遮断する時間を一定時間設けることにより、ＰＷＭ信号の遮断と通電が短期間に繰返し生じるチャタリング現象を回避することができ、チャタリングによるスイッチング素子の温度上昇を抑制することが可能となる。

第６の発明は、前記ブラシレスモータが搭載される室外機に力率改善手段が搭載されているとき、前記温度検出手段によって検出される雰囲気が低く、かつ前記運転時間計測手段によって計測される連続運転時間が短いほど、力率改善手段の出力ＤＣ電圧を上げることにより、ブラシレスモータの電流を減少させることが可能となり、低温時におけるブラシレスモータの負荷範囲を拡大させることが可能となる。

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。なお、この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は、本発明の実施形態における空気調和機の室外ファン用ブラシレスモータ駆動装置の回路図を示すものである。

図１において商用電源等を直流電圧すること等によって得られる直流電源１は、２個のスイッチングモジュールＵ〜Ｗ、Ｘ〜Ｚを順方向に直列接続し、その相互接続点をインバータ出力端とする３組のインバータアーム１３〜１５で構成されるインバータ回路１６に接続されている。３組のインバータアームは、空気調和機のファン用ブラシレスモータ２のステータ巻線に電流を供給している。ブラシレスモータ２に用いられている磁石は、低温減磁の特性を持ち、減磁電流は−２０℃にて０．６２Ａ、−１０℃にて０．７２Ａである。ブラシレスモータにはロータの磁極位置を検出するホールＩＣ３が内蔵されており、ホールＩＣ３の出力はマイクロコンピュータ５に入力される。また室外ユニットには室外気温を検知する温度センサ４が備えられており、温度センサ４の出力はマイクロコンピュータ５に入力される。

マイクロコンピュータ５は、３組のインバータアーム１０〜１２に対してゲート信号Ｇ１〜Ｇ６を送信するために、各スイッチングモジュールＵ〜Ｚと通信線で接続されている。但し、上アームの通信線は、過電流を検知した際にブラシレスモータの磁石の減磁を防止するためにゲート信号を遮断するＡＮＤゲートで構成された保護回路８を介して接続されている。ゲート信号はＨＩＧＨアクティブである。また、直流電源と３組のインバータアームとの間には、ブラシレスモータのステータ巻線へ流れる電流を検出する電流検出回路６が備えられており、電流検出回路６の出力電圧は、電圧比較回路７の入力に接続されている。電圧比較回路７のもう一方の入力には、遮断電流閾値を設定するための分圧抵抗
９，１０，１１とスイッチ１２が接続されている。電圧比較回路の出力は、遮断電流閾値を超えたときにＬＯＷ出力されるようになっており、マイクロコンピュータからのＰＷＭ信号を遮断する保護回路８の入力に接続されている。

以上のように構成された空気調和機の室外ファン用ブラシレスモータ駆動回路について、以下その動作、作用を説明する。

マイクロコンピュータ５からスイッチングモジュールＵ〜Ｚへのゲート信号は、前記ホール素子の出力信号に応じて、前記インバータ回路の上アーム及び下アームの１相を通電し、通電する上アームの相はＰＷＭ通電しパルスのデューティ比によりロータ回転数を調整している。一般に負荷が大きいほどステータ巻線の電流は上昇し、ブラシレスモータ２の磁石が減磁する減磁電流に対するマージンが減少していく。ゲート信号を遮断する保護回路８は、電圧比較回路７においてステータ巻線の電流値が減磁電流を超さないように電流遮断閾値が設定されており、温度特性とブラシレスモータの連続運転時間に対して２つの閾値が設定可能である。負荷や電源電圧の変動により、ステータ巻線の電流値が上昇し電流検出回路の出力が電流遮断閾値に達すると、電圧比較回路７の出力が反転しＬＯＷ出力となり、ＡＮＤゲートで構成された保護回路８の出力はＬＯＷとなりゲート信号は遮断される。

図２にブラシレスモータの連続運転時間が３０分未満の場合における保護回路の雰囲気温度に対する減磁電流特性と電流遮断閾値の関係を示す。図２に示すとおり、温度センサ４の出力に対しマイクロコンピュータ５は−１０℃を境目に−１０℃以上ではスイッチ１２をＯＦＦすることにより電流遮断閾値は０．７Ａ、−１０℃未満ではスイッチ１２をＯＮすることにより電流遮断閾値は０．６Ａに設定されている。また、図３にブラシレスモータの連続運転時間が３０分以上の場合における保護回路の雰囲気温度に対する減磁電流特性と電流遮断閾値の関係を示す。図３に示すとおり、温度センサ４の出力に対しマイクロコンピュータ５は−１５℃を境目に−１５℃以上ではスイッチ１２をＯＦＦすることにより電流遮断閾値は０．７Ａ、−１５℃未満ではスイッチ１２をＯＮすることにより電流遮断閾値は０．６Ａに設定されている。ブラシレスモータ２の運転開始時には、ブラシレスモータ２の温度上昇が見られないために、温度センサ４とブラシレスモータの磁石温度は一致する。

図２の温度閾値に設定されることにより、ステータ巻線電流は−２０℃にて０．６２Ａ、−１０℃にて０．７２Ａの減磁電流を超えることは無くなり、ブラシレスモータ２の減磁を回避することが可能となる。そしてブラシレスモータの連続運転時間が３０分以上経過すると、ブラシレスモータ２はステータ巻線の発熱により磁石に温度上昇が見られる。３０分経過時における磁石の温度上昇が５℃以上であることが確かめられており、温度センサ４の温度に比べブラシレスモータ２の磁石温度は５℃以上高くなっている。よって連続運転時間が３０分以上の場合は、図３のように電流遮断の閾値が−１５℃であってもステータ巻線電流は−２０℃にて０．６２Ａ、−１０℃にて０．７２Ａの減磁電流を超えることは無くなり、ブラシレスモータ２の減磁を回避することが可能となる。

以上のように、本実施の形態においては、マイクロコンピュータを介することなく、インバータ回路への入力信号を遮断することから、応答性の向上を図ることができる。また、電流値の遮断すべき値を減磁電流の温度特性に対応させることにより、一律の値にするよりもファンモータの負荷範囲を広げることが可能となる

以上のように、本発明にかかる空気調和機のファン用ブラシレスモータ駆動装置は、電源電圧や負荷の急峻な変動に対して応答性を損なうことなく、また負荷範囲を最大限に生
かしながら、減磁電流に対する保護を達成することが可能であり、燃料電池に代表される直流を電源とする、電気自動車等におけるブラシレスモータの用途にも適用できる。

、本発明の実施の形態における空気調和機の室外ファン用ブラシレスモータ駆動装置の回路図 同、ブラシレスモータの運転時間が３０分未満における保護回路の温度に対する減磁電流特性と電流遮断閾値の関係図 同、ブラシレスモータの運転時間が３０分以上における保護回路の温度に対する減磁電流特性と電流遮断閾値の関係図 従来の空気調和機のファン用ブラシレスモータ駆動装置の回路図 マイクロコンピュータからスイッチング素子のゲート端子へ入力されるゲート信号の波形図

符号の説明

１ 直流電圧（高電圧）
２ ブラシレスモータ
３ 磁極検知用ホールＩＣ
４ 温度センサ
５ マイクロコンピュータ
６ 電流検出回路
７ 電圧比較回路
８ ゲート信号遮断回路
９ 電流遮断閾値設定用高圧側分圧抵抗
１０ 電流遮断閾値設定用低圧側分圧抵抗
１１ 低外気温時電流遮断閾値設定用分圧抵抗
１２ 低外気温時電流遮断閾値設定用スイッチ
１３、１４，１５ インバータアーム
１６ インバータ回路
Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚ スイッチングモジュール（駆動回路とＩＧＢＴ、逆並列ダイオードで構成）
Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４，Ｇ５，Ｇ６ ゲート信号

Claims (6)

1. ２個のスイッチング素子を順方向に直列接続し、その相互接続点をインバータ出力端とするインバータアームを少なくとも３組備えた、空気調和機の室外ファン用ブラシレスモータのステータ巻線に電流を供給するインバータ手段と、前記ブラシレスモータのロータの磁極位置を検出するホール素子と、前記ブラシレスモータを駆動するために、前記ホール素子の出力信号に応じて、前記インバータ手段の上アーム及び下アームのそれぞれ少なくとも１相を通電し、通電する相の少なくともいずれかはＰＷＭ通電することによりロータ回転数を調整する制御手段とを備える空気調和機の室外ファン用ブラシレスモータの駆動装置において、前記ブラシレスモータが搭載される室外機熱交換器の吸込み温度を検出する温度検出手段と、前記インバータ手段に流れる電流を検出し電圧値に変換する電流検出手段と、前記電流検出手段によって得られる電圧値と閾値電圧を入力端子に有し両者の電圧の大小に応じて２値の出力がなされる電圧比較手段と、前記電圧比較手段の出力に応じて前記駆動装置からのＰＷＭ信号を遮断する保護手段と、前記室外ファン用ブラシレスモータの起動開始からの連続運転時間を計測する運転時間計測手段を備え、前記電圧比較手段の閾値電圧は、前記温度検出手段によって検出される雰囲気温度が低く、また前記運転時間計測手段によって計測される連続運転時間が短いほど小さく設定される可変電圧源であることを特徴とする空気調和機の室外ファン用ブラシレスモータ駆動装置。
2. 前記温度検出手段を室外機熱交換器の配管温度検出手段で代用することを特徴とする請求項１に記載の空気調和機の室外ファン用ブラシレスモータ駆動装置。
3. 前記温度検出手段の出力値が一定値未満の場合には常にブラシレスモータを回転させ続けることを特徴とする請求項１または２に記載の空気調和機のファン用ブラシレスモータ駆動装置。
4. 前記電圧比較手段の閾値電圧は、駆動装置の制御電源の抵抗分圧回路出力により得られ、前記抵抗分圧回路の高圧側または低圧側の抵抗に対して少なくとも１つ以上並列にスイッチ素子と抵抗とを直列接続した部分を備え、雰囲気温度に応じて前記スイッチ素子を開閉し閾値電圧を切換えることを特徴とする請求項１〜３に記載の空気調和機の室外ファン用ブラシレスモータ駆動装置。
5. 前記保護手段の出力部には、ＯＦＦラッチ手段を備えることにより、前記ＰＷＭ信号を遮断する時間を一定時間設けることを特徴とする請求項１〜４に記載の空気調和機の室外ファン用ブラシレスモータ駆動装置。
6. 前記ブラシレスモータが搭載される室外機に力率改善手段を搭載し、前記温度検出手段によって検出される雰囲気温度が低く、かつ前記運転時間計測手段によって計測される連続運転時間が短いほど、力率改善手段の出力ＤＣ電圧を上昇させることを特徴とする請求項１〜５に記載の空気調和機の室外ファン用ブラシレスモータ駆動装置。

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