JP2008128193A - 電動圧縮機における電動機駆動装置 - Google Patents

電動圧縮機における電動機駆動装置 Download PDF

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【課題】インバータ及びコンデンサを用いた電動圧縮機におけるコンデンサの小型化を図る。
【解決手段】電動圧縮機の電動機Mは、主制御コンピュータC1の制御を受ける。コンデンサ29の温度を検出する温度検出器32によって検出された温度情報は、主制御コンピュータC1へ送られる。副制御コンピュータC2は、指定回転数の情報を主制御コンピュータC1に送る。主制御コンピュータC1は、回転数と温度との組からなる制御要素マップMpを記憶している。制御要素マップMpは、直線D1,D2によって挟まれた禁止領域K(ハッチングで示す領域であって、直線D1,D2を含まない)を有している。検出温度Txと指定回転数Nsとの組(Tx,Ns)が禁止領域K内にある場合には、主制御コンピュータC1は、禁止領域K外において検出温度Txに対応した回転数を代替して使用する代替制御を行なう。
【選択図】図2

Description

本発明は、電動機によって駆動される回転軸の回転に基づく圧縮動作体の圧縮動作によって圧縮室内の冷媒を圧縮して吐出する電動圧縮機における電動機駆動装置に関する。
特許文献1に開示のように、電動圧縮機駆動用のインバータを構成するモータ駆動回路を過熱による破損から保護するため、モータ駆動回路の温度を速やかに低下させる対策がある。特許文献1に開示の電動圧縮機では、モータが回転すると、吸入側ハウジング内に流入した低温冷媒とモータ駆動回路とが仕切り壁及び伝熱フィンを介して熱交換され、モータ駆動回路が冷却される。モータ駆動回路の温度を検出する温度センサによって検出された温度が第1の基準温度以上になると、モータの回転数が上昇される。これにより、冷媒吸入量が増加し、モータ駆動回路の温度が速やかに低下する。
このようなインバータでは、複数の半導体素子のスイッチング動作によって生じるリップル電流を抑制するためにコンデンサが組み込まれている。
特開2003−139069号公報
コンデンサの信頼性は、コンデンサの温度とリップル電流との影響を受け、リップル電流が大きく、コンデンサの温度が高くなるほど、コンデンサの容量(つまりコンデンサの体格)を大きくする必要がある。コンデンサの体格アップは、特に車載に関してスペース的な制約条件が厳しい車載用電動圧縮機にインバータを組み付けた場合には電動圧縮機の体格アップの抑制の上で不利である。
本発明は、インバータ及びコンデンサを用いた電動圧縮機におけるコンデンサの小型化を図ることを目的とする。
本発明は、電動機によって駆動される回転軸の回転に基づく圧縮動作体の圧縮動作によって圧縮室内の冷媒を圧縮して吐出する電動圧縮機であって、電流平滑化用のコンデンサを含むインバータを用いて、前記電動機に対する電流供給を制御する電動圧縮機における電動機駆動装置を対象とし、請求項1の発明は、前記電動機のコンデンサの温度又はコンデンサの周囲の温度を検出する温度検出手段と、前記電動機の回転数を指定する回転数指定手段と、前記回転数指定手段によって指定された指定回転数と、回転数と温度との組からなる制御要素マップとに基づいて、電動機の回転数制御を行なう制御手段とを備え、前記制御要素マップには禁止領域が設けられており、前記禁止領域内の温度は、予め設定された閾値以上であり、前記制御手段は、前記温度検出手段によって検出された検出温度と前記指定回転数との組が前記禁止領域に含まれる場合には、前記禁止領域外において前記検出温度に対応した回転数を代替して使用する代替制御を行なうことを特徴とする。
このような禁止領域内の温度と回転数との組を用いないように電動機の駆動を制御する場合のコンデンサの容量は、禁止領域内の温度と回転数との組をも用いて電動機の駆動を制御する場合のコンデンサの容量よりも、小さくできる。
好適な例では、前記禁止領域において前記検出温度に対応した前記回転数の範囲は、最大回転数の1/2を含む。
リップル電流は、最大回転数の半分付近で最大になる。従って、最大回転数の半分付近で代替制御を行なうことは、コンデンサの信頼性を高める上で特に有効であり、結果的にコンデンサの小型化を図る上で特に有効である。
好適な例では、前記禁止領域における前記回転数の範囲の上限は、温度が高くなるほど最大回転数の1/2から遠ざかるように大きくなるように設定されており、前記禁止領域における前記回転数の範囲の下限は、温度が高くなるほど最大回転数の1/2から遠ざかるように小さくなるように設定されている。
回転数が50%以下では、回転数が増大するにつれてリップル電流が増大し、回転数が50%以上では、回転数が増大するにつれてリップル電流が低減する。従って、温度が高くなるほど禁止領域における回転数の範囲の上限及び下限を50%から遠ざかるようにすることは、禁止領域を適正に設定する上で好ましい。
好適な例では、前記制御手段は、代替制御を行なっているときには、前記制御要素マップにおいて前記検出温度に対応する回転数のうち、前記禁止領域内の前記検出温度に対応する回転数よりも小さい第1代替回転数と、前記制御要素マップにおいて前記禁止領域内の前記検出温度に対応する回転数よりも大きい第2代替回転数とを交互に採用する。
第1代替回転数と第2代替回転数とを交互に代替して使用する代替制御は、リップル電流の最大値を抑制しつつ、冷媒流量制御の適正化に寄与する。
好適な例では、前記制御手段は、モータ電流の値が所定値以上の場合にのみ、前記代替制御を行なう。
リップル電流は、モータ電流が大きくなるほど、大きくなる。モータ電流の大きさを考慮した代替制御は、代替制御の頻度を減らしつつコンデンサの信頼性を向上する上で有効である。
好適な例では、前記インバータ及び前記コンデンサは、前記電動圧縮機のハウジングに組み付けられている。
本発明は、インバータ及びコンデンサを用いた電動圧縮機におけるコンデンサの小型化を図ることができるという優れた効果を奏する。
以下、本発明をスクロール型の電動圧縮機に具体化した第1の実施形態を図1〜図4に基づいて説明する。
図1に示すように、スクロール型の電動圧縮機10を構成する可動スクロール11は、電動機Mを構成する回転軸12の回転によって旋回し、圧縮動作体としての可動スクロール11と固定スクロール13との間の圧縮室14が容積減少する。圧縮室14内の冷媒は、吐出ポート15から吐出弁16を押し退けて吐出室17へ吐出される。
吐出室17とモータハウジング18内の吸入室181とは、外部冷媒回路19によって接続されている。外部冷媒回路19上には、冷媒から熱を奪うための熱交換器20、膨張弁21、及び周囲の熱を冷媒に移すための熱交換器22が介在されている。吐出室17の冷媒は、外部冷媒回路19へ流出し、外部冷媒回路19へ流出した冷媒は、吸入室181へ還流する。吸入室181へ導入された冷媒は、吸入ポート23を経由して圧縮室14へ吸入される。
電動機Mを構成するロータ24は、回転軸12に止着されており、電動機Mを構成するステータ25は、モータハウジング18の内周面に固定されている。ロータ24は、回転軸12に止着されたロータコア241と、ロータコア241の内部に設けられた複数の永久磁石242とからなる。ロータコア241の周方向に隣り合う永久磁石242同士は、ステータ25に対向する側の磁極が異なるようにしてある。
電動機Mを構成するステータ25は、円環状のステータコア251と、ステータコア251に巻き付けられたコイル252とからなる。ロータ24は、コイル252への通電によって回転し、回転軸12は、ロータ24と一体的に回転する。モータハウジング18の外周面にはインバータ26が組み付けられている。コイル252への通電は、インバータ26を介して行われる。
図2(a)に示すように、インバータ26は、モータ駆動回路27と、モータ駆動回路27を制御する主制御コンピュータC1とから構成されている。モータ駆動回路27は、半導体スイッチング素子である複数のトランジスタ28A,28Bと、電流平滑化用のコンデンサ29とを備えている。トランジスタ28A,28Bにはダイオード30が接続されている。ダイオード30は、電動機Mで発生する逆起電力を直流電源31に還流させるためのものである。
トランジスタ28A,28Bのベース側は、主制御コンピュータC1に信号接続されている。トランジスタ28Aのエミッタ側は、直流電源31に接続されており、トランジスタ28Aのコレクタ側は、電動機Mのコイル252に接続されている。トランジスタ28Bのコレクタ側は、直流電源31に接続されており、トランジスタ28Bのエミッタ側は、電動機Mのコイル252に接続されている。
主制御コンピュータC1は、トランジスタ28A,28Bのスイッチング動作を制御して電動機Mの回転数を制御する。
図1に示すように、インバータ26には温度検出器32が設けられている。温度検出器32は、コンデンサ29の温度を検出する。コンデンサ29の温度を検出する温度検出手段としての温度検出器32によって検出された温度情報は、主制御コンピュータC1へ送られる。主制御コンピュータC1は、図2(b)に示す回転数と温度との組からなる制御要素マップMpを記憶している。制御要素マップMpは、直線D1,D2によって挟まれた禁止領域K(ハッチングで示す領域であって、直線D1,D2を含む)を有している。Nmaxは、最大回転数を表す。禁止領域K内の温度は、予め設定された閾値T1より大きく、直線D1,D2の交点Poは、閾値T1とNmax/2との組(Nmax/2)に対応する。又、禁止領域Kにおける回転数の範囲の上限は、温度が高くなるほど最大回転数Nmaxの1/2から遠ざかるように大きくなり、禁止領域Kにおける回転数の範囲の下限は、温度が高くなるほど最大回転数Nmaxの1/2から遠ざかるように小さくなる。
主制御コンピュータC1には副制御コンピュータC2が信号接続されている。副制御コンピュータC2には空調装置作動スイッチ33、室温検出器34及び室温設定器35が信号接続されている。空調装置作動スイッチ33がON状態にある場合、副制御コンピュータC2は、室温設定器35によって設定された目標室温T2と、室温検出器34によって検出された検出室温Tyとの差(Ty−T2)=Δyの情報を主制御コンピュータC1に送る。又、副制御コンピュータC2は、差Δyに応じた指定回転数Nsを主制御コンピュータC1に指定する。この指定回転数Nsは、検出室温Tyを目標室温T2に収束させるように設定された回転数である。
図4は、電動機Mのコイル252に対する電流供給制御プログラムを表すフローチャートであり、主制御コンピュータC1は、図4のフローチャートで示す電流供給制御を遂行する。図4のフローチャートで示す電流供給制御は、所定の制御周期で繰り返し遂行される。以下、主制御コンピュータC1による電流供給制御を説明する。
主制御コンピュータC1は、差Δyの情報及び指定回転数Nsの情報を取り込む(ステップS1)。又、主制御コンピュータC1は、温度検出器32によって検出された検出温度Txの情報を取り込む(ステップS1)。
主制御コンピュータC1は、閾値T1と検出温度Txとの大小比較を行なう(ステップS2)。検出温度Txが閾値T1を下回る場合(ステップS2においてNO)、主制御コンピュータC1は、通常制御を行なう(ステップS7)。通常制御とは、指定回転数Nsとなるようにモータ電流(負荷)を決めて、インバータ26のスイッチング動作を制御することである。これにより、電動機Mが指定回転数Nsで回転する。
検出温度Txが閾値T1以上である場合(ステップS2においてYES)、主制御コンピュータC1は、検出温度Txと指定回転数Nsとの組(Tx,Ns)が禁止領域K内にあるか否かを判断する(ステップS3)。組(Tx,Ns)が禁止領域K内にない場合(ステップS3においてNO)、主制御コンピュータC1は、通常制御を行なう(ステップS7)。
組(Tx,Ns)が禁止領域K内にある場合(ステップS3においてYES)、主制御コンピュータC1は、差Δyが正か負かの判断を行なう(ステップS4)。差Δyが正である状態は、検出温度Txが目標室温T2よりも高い状態であり、差Δyが負である状態は、検出温度Txが目標室温T2よりも低い状態である。差Δyが正又は0である場合、主制御コンピュータC1は、組(Tx,NsH)を代替使用する(ステップS5)。差Δyが負である場合、主制御コンピュータC1は、組(Tx,NsL)を代替使用する(ステップS6)。組(Tx,NsH)が代替使用された場合には、電動機Mは、回転数NsHで回転し、目標室温T2より低い検出室温Tyが目標室温T2に近づくように上昇する。組(Tx,NsL)が代替使用された場合には、電動機Mは、回転数NsLで回転し、目標室温T2より高い検出室温Tyが目標室温T2に近づくように低下する。
例えば、図2(b)に示すように検出温度TxがTxe(>T1)である場合、NsHとしては、検出温度Txeに対応する点P1〔直線D1から所定回転数ΔN離れ、且つ検出温度Txeに対応する点〕を表す組(Txe,NsHe)のNsHeが採用される。又、NsLとしては、検出温度Txeに対応する点P2〔直線D2から所定回転数ΔN離れ、且つ検出温度Txeに対応する点〕を表す組(Txe,NsLe)のNsLeが採用される。差Δyが正と負との間で変転すると、電動機Mの回転数は、図3(c)に波形Rで示すように変転する。主制御コンピュータC1は、代替制御を行なっているときには、検出温度Txに対応する回転数のうち、禁止領域K内の検出温度Tx〔図2(b)の例ではTxe〕に対応する指定回転数Ns〔図2(b)の例ではTse〕よりも小さい第1代替回転数NsLと、指定回転数Nsよりも大きい第2代替回転数NsHとを交互に採用する。
ステップS5、ステップS6又はステップS7の処理後、主制御コンピュータC1は、ステップS1へ移行する。
副制御コンピュータC2は、電動機Mの回転数を指定する回転数指定手段である。主制御コンピュータC1は、回転数指定手段によって指定された指定回転数と、回転数と温度との組からなる制御要素マップMpとに基づいて、電動機Mの回転数制御を行なう制御手段である。主制御コンピュータC1は、検出温度Txと指定回転数Nsとの組(Tx,Ns)が禁止領域Kに含まれる場合には、禁止領域K外において検出温度Txに対応した回転数を代替して使用する代替制御を行なう。
第1の実施形態では以下の効果が得られる。
(1)図3(a)のグラフにおける曲線Eは、電圧利用率(%)とリップル電流との関係を示す。リップル電流は、電圧利用率が50%で最大となり、電圧利用率が50%以下の領域では、電圧利用率が増大するにつれてリップル電流が増大し、電圧利用率が50%以上の領域では、電圧利用率が増大するにつれてリップル電流が低減する。電圧利用率と回転数とは、図3(b)に示すような関係にある。コイル252に供給される電流(モータ電流)の上限値をImaxとすると、線L1は、モータ電流(負荷)が上限値Imaxのときの電圧利用率と回転数との関係を示す。線L2は、モータ電流(負荷)が上限値Imaxの例えば1/2のときの電圧利用率と回転数との関係を示し、線L3は、モータ電流(負荷)が上限値Imaxの例えば3/10のときの電圧利用率と回転数との関係を示す。図3(b)のグラフは、電圧利用率と回転数とが略線形の比例関係にあることを示している。従って、回転数とリップル電流との関係は、電圧利用率とリップル電流との関係〔図3(a)に曲線Eで示す関係〕と略同様になる。そこで、回転数が最大回転数Nmaxの半分Nmax/2の付近にあって、検出温度Txが高いという状況を回避すれば、リップル電流の最大値を低減することができる。
禁止領域Kは、回転数が最大回転数Nmaxの半分Nmax/2の付近にあって、検出温度Txが高いという状況を回避するために設定されたものである。このような禁止領域K内の検出温度Txと指定回転数Nsとの組(Tx,Ns)を用いないように電動機Mの駆動を制御する場合のコンデンサ29の容量は、禁止領域K内の組(Tx,N)をも用いて電動機Mの駆動を制御する場合のコンデンサ29の容量よりも、小さくできる。
(2)リップル電流が大きくなるほど、コンデンサ29の信頼性が低下するが、リップル電流は、回転数が最大回転数Nmaxの半分のときに最大あるいは最大近くとなる。従って、検出温度Txが閾値T1以上であって、且つ指定回転数Nsが最大回転数Nmaxの半分程度であるときに代替制御を行なうことは、コンデンサ29の信頼性を高める上で特に有効であり、結果的にコンデンサ29の小型化を図る上で特に有効である。
(3)回転数が50%以下では、回転数が増大するにつれてリップル電流が増大し、回転数が50%以上では、回転数が増大するにつれてリップル電流が低減する。従って、温度が高くなるほど禁止領域Kにおける回転数の範囲の上限及び下限を50%から遠ざかるようにすることは、禁止領域Kを適正に設定する上で好ましい。
(4)禁止領域K内の検出温度に対応する回転数よりも小さい第1代替回転数NsLと大きい第2代替回転数NsHとに交互に代替する代替制御は、リップル電流の最大値を抑制しつつ、検出室温Tyを目標室温T2に合わせるという冷媒流量制御の適正化に寄与する。
(5)電動圧縮機10のハウジング(本実施形態ではモータハウジング18)にインバータ26及びコンデンサ29を組み付けた構成では、コンデンサ29の大きさが電動圧縮機10の体格に影響を与える。コンデンサ29の小型化をもたらす本発明は、ハウジングにインバータ26及びコンデンサ29を組み付けた電動圧縮機10への適用に特に好適である。
次に、図5のフローチャートで示す第2の実施形態を説明する。
第2の実施形態では、ステップS1の内容が第1の実施形態の場合のステップS1と異なり、ステップS3の内容が第1の実施形態の場合のステップS3と異なる。
ステップS1では、主制御コンピュータC1は、差Δyの情報、指定回転数Nsの情報、及び検出温度Txの情報以外にも、検出されたモータ電流Iの情報を取り込む。ステップS3では、主制御コンピュータC1は、検出温度Txと指定回転数Nsとモータ電流Iとの組(Tx,Ns,I)が禁止領域内にあるか否かを判断する。この場合の禁止領域は、第1の実施形態における禁止領域Kと、モータ電流が所定値Ioを超える領域との組み合わせ領域のことである。検出されたモータ電流Iが所定値Ioを超えない場合には、検出温度Txと指定回転数Nsとの組(Tx,Ns)が禁止領域K内にある場合であっても、代替制御は行われず、組(Tx,Ns)が禁止領域K内にあり、且つI≧Ioのときにのみ代替制御が行われる。
リップル電流は、モータ電流の大きさにほぼ比例するため、第2の実施形態のように、コンデンサ29の温度が高く、且つモータ電流が大きい場合にのみ、代替制御を行うようにすることにより、コンデンサ29の小型化を図りつつコンデンサ29の信頼性を確保することができる。又、代替制御の頻度が第1の実施形態の場合よりも減り、回転数変動に伴う騒音変動が低減する。
本発明では以下のような実施形態も可能である。
○コンデンサ29の周囲の温度(例えばモータ駆動回路27の温度や、インバータ26付近のモータハウジング18の温度)を検出し、この検出情報に基づいて代替制御の是非を判断するようにしてもよい。
○第1の実施形態における禁止領域Kの境界となる直線D1,D2の代わりに、曲線の境界を採用してもよい。
○本発明をピストン式電動圧縮機に適用してもよい。
○本発明を可変容量型電動圧縮機に適用してもよい。
第1の実施形態を示すスクロール型電動圧縮機全体の側断面図。 (a)は、インバータを示す回路図。(b)は、代替制御を説明するためのグラフ。 (a)は、電圧利用率とリップル電流との関係を示すグラフ。(b)は、回転数と電圧利用率との関係を示すグラフ。(c)は、代替制御を説明するためのグラフ。 電流供給制御プログラムを表すフローチャート。 第2の実施形態を示すフローチャート。
符号の説明
10…スクロール型電動圧縮機。11…圧縮動作体としての可動スクロール。12…回転軸。14…圧縮室。18…ハウジングとしてのモータハウジング。26…インバータ。29…コンデンサ。32…温度検出手段としての温度検出器。M…電動機。C1…制御手段としての主制御コンピュータ。C2…回転数指定手段としての副制御コンピュータ。K…禁止領域。Mp…制御要素マップ。Tx…検出温度。T1…閾値。Ns…指定回転数。NsL…第1代替回転数。NsH…第2代替回転数。

Claims (6)

  1. 電動機によって駆動される回転軸の回転に基づく圧縮動作体の圧縮動作によって圧縮室内の冷媒を圧縮して吐出する電動圧縮機であって、インバータ及び電流平滑化用のコンデンサを用いて、前記電動機に対する電流供給を制御する電動圧縮機における電動機駆動装置において、
    前記電動機のコンデンサの温度又はコンデンサの周囲の温度を検出する温度検出手段と、
    前記電動機の回転数を指定する回転数指定手段と、
    前記回転数指定手段によって指定された指定回転数と、回転数と温度との組からなる制御要素マップとに基づいて、電動機の回転数制御を行なう制御手段とを備え、
    前記制御要素マップには禁止領域が設けられており、前記禁止領域内の温度は、予め設定された閾値以上であり、前記制御手段は、前記温度検出手段によって検出された検出温度と前記指定回転数との組が前記禁止領域に含まれる場合には、前記禁止領域外において前記検出温度に対応した回転数を代替して使用する代替制御を行なう電動圧縮機における電動機駆動装置。
  2. 前記禁止領域において前記検出温度に対応した前記回転数の範囲は、最大回転数の1/2を含む請求項1に記載の電動圧縮機における電動機駆動装置。
  3. 前記禁止領域における前記回転数の範囲の上限は、温度が高くなるほど最大回転数の1/2から遠ざかるように大きくなるように設定されており、前記禁止領域における前記回転数の範囲の下限は、温度が高くなるほど最大回転数の1/2から遠ざかるように小さくなるように設定されている請求項2に記載の電動圧縮機における電動機駆動装置。
  4. 前記制御手段は、代替制御を行なっているときには、前記制御要素マップにおいて前記検出温度に対応する回転数のうち、前記禁止領域内の前記検出温度に対応する回転数よりも小さい第1代替回転数と、前記制御要素マップにおいて前記禁止領域内の前記検出温度に対応する回転数よりも大きい第2代替回転数とを交互に採用する請求項3に記載の電動圧縮機における電動機駆動装置。
  5. 前記制御手段は、モータ電流の値が所定値以上の場合にのみ、前記代替制御を行なう請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の電動圧縮機における電動機駆動装置。
  6. 前記インバータ及び前記コンデンサは、前記電動圧縮機のハウジングに組み付けられている請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の電動圧縮機における電動機駆動装置。
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