JP2009195015A - インバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温度センサを用いず、起動時のモータの温度を高い精度で算出し、また、高い精度で運転時のモータの温度を推定することができるインバータ装置の提供を目的とする。
【解決手段】直流電源に接続されるインバータ回路と、インバータ回路の出力電流を検出する電流検出器と、モータの運転前においてインバータ回路からモータへ直流電流を出力させて磁石回転子の位置決めを行い、モータの運転時においてはインバータ回路からモータへ交流電流を出力させる制御回路とを備え、磁石回転子の位置決め時、電流検出器により検出される電流値に基づきモータの固定子巻線の抵抗値を算出し、当該抵抗値に基づいてモータの温度を算出する。
【選択図】図７

Description

本発明は、温度センサを用いずにモータの温度を検出するインバータ装置に関するものである。

従来実施されているインバータ装置の回路、作動について以下説明する。図１２に従来のインバータ装置１２０とその周辺の電気回路図を示す。運転前に、センサレスＤＣブラシレスモータ１１（以降モータと称す）を構成する磁石回転子５の位置決めが行われる。位置決めは、インバータ装置１２０からモータ１１を構成する固定子巻線４へ直流電流を出力することで行われる（例えば、特許文献１参照）。

運転時においては、制御回路１０７が、インバータ回路を構成するスイッチング素子２（ＩＧＢＴ、ＦＥＴ，トランジスタ等が用いられる）を制御することにより、バッテリー１からの直流電圧がＰＷＭ変調でスイッチングされ、正弦波状の交流電流がモータ１１を構成する固定子巻線４へ出力される。これにより、モータ１１が駆動される。制御回路１０７は通信線１２を介してコントローラ（図示せず）と通信を行う。ダイオード３は、固定子巻線４に流れる電流の循環ルートとなる。電流センサ６の検出電流値は、制御回路１０７へ送られ、消費電力算出、スイッチング素子２保護などに用いられ、更には、運転時の磁石回転子５の位置推定に用いられる。

温度検出用の、サーミスタ温度センサ８、サーミスタ温度センサ９が備えられている。サーミスタ温度センサ８からの固定子巻線４の温度、サーミスタ温度センサ９からのインバータ回路１０の温度が、制御回路１０７へ伝達される。

電動圧縮機を例に示す。図１３の電動圧縮機１２５において、金属製筐体３２の内部には、圧縮機構部２８、モータ１１、そしてサーミスタ温度センサ８が設置されている。冷媒は、吸入口３３から吸入され、圧縮機構部２８がモータ１１で駆動されることにより圧縮される。この圧縮された冷媒は、金属製筐体３２の内部においてモータ１１を通過し、その際にモータ１１の冷却を行い、吐出口３４より吐出される。サーミスタ温度センサ８は、固定子巻線４の正確な温度を検出可能とするため、モータ１１の固定子巻線４近傍に設けられている。

モータ１１の固定子巻線４、サーミスタ温度センサ８は、金属製筐体３２の内部で、ターミナル１３９に接続されている。そのため、ターミナル１３９には５本端子がある。金属製筐体３２の外部で、ターミナル１３９は、図１２のインバータ装置１２０に接続される。

一方、温度センサにより直接温度を検出するのではなく、推定する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。この場合、直接温度を検出する温度センサを備えないため、構造を簡素化できるなどのメリットがある。
特開平１１−３５６０８８号公報（第７頁、第６図） 特開２００２−３４２８１号公報（第１頁、請求項１）

上記のように、従来のインバータ装置においては、モータの温度を検出するために、温度センサをモータの固定子巻線近傍に設けている。これにより、正確なモータの温度を検出できる。然しながら、固定子巻線の温度を検出するためには、温度センサ、配線、インターフェイス回路などを設ける必要がある。そのため、部品の増加、モータなどの大型化を招いてしまう。圧縮機においては、高温高圧対応の温度センサ、高圧容器用の電気接続ターミナルに端子追加が必要になる。モータ用（３相）３本に、温度センサ用２本を加え５本必要になる。

一方、温度センサにより直接温度を検出するのではなく推定する方法においては、直接温度を検出する温度センサを備えないため構造を簡素化できるなどのメリットがある反面、推定の精度に課題がある。

本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、温度センサを用いずにモータの温度を高い精度で検出するインバータ装置の提供を目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のインバータ装置は、直流電源のプラス側に接続される上アームスイッチング素子とマイナス側に接続される下アームスイッチング素子とを備えたインバータ回路と、インバータ回路の出力電流を検出する電流検出器と、運転前においてインバータ回路からモータへ直流電流を出力させてモータの磁石回転子の位置決めを行い、運転時においてはインバータ回路からモータへ交流電流を出力させる制御回路とを備え、制御回路は、磁石回転子の位置決め時、電流検出器により検出される電流値に基づきモータの固定子巻線の抵抗値を算出し、当該抵抗値に基づいてモータの温度を算出する。

これにより、起動時において、温度センサを用いずにモータの温度を高い精度で算出することができる。そして、この算出温度を初期値、もしくは、校正用の値とすることにより、高い精度でモータの運転時の温度を推定することができる。

本発明のインバータ装置は、温度センサを用いず、起動時のモータの温度を高い精度で算出することができる。また、高い精度でモータの運転時の温度を推定することができる。

第１の発明のインバータ装置は、直流電源のプラス側に接続される上アームスイッチング素子とマイナス側に接続される下アームスイッチング素子とを備えたインバータ回路と、インバータ回路の出力電流を検出する電流検出器と、運転前においてインバータ回路からモータへ直流電流を出力させてモータの磁石回転子の位置決めを行い、運転時においてはインバータ回路からモータへ交流電流を出力させる制御回路とを備え、制御回路は、磁石回転子の位置決め時、電流検出器により検出される電流値に基づきモータの固定子巻線の抵抗値を算出し、当該抵抗値に基づいてモータの温度を算出するものである。これにより、起動時において、温度センサを用いずにモータの温度を高い精度で算出することができる。

第２の発明は、第１の発明のインバータ装置において、算出温度を初期値として、もしくは、校正用の値として、運転時のモータの温度を推定するものである。これにより、高い精度でモータの温度を推定することができる。

第３の発明は、第１または第２の発明のインバータ装置において、モータは電動圧縮機のモータとするものである。そのため、高温高圧対応の温度センサ、高圧容器用の電気接続ターミナルに端子追加が不要であり、温度センサなしの効果が大きい。

第４の発明は、第３の発明のインバータ装置において、電動圧縮機は高圧型であり、当該電動圧縮機に搭載されるものである。これにより、モータの温度とインバータの温度との差から、起動時の冷媒圧力の差（差圧）を推定することができる。そして、省エネで滑らかな起動を行うことができる。

第５の発明は、第１乃至第４の発明のインバータ装置において、車両に搭載されるものである。車両に搭載される装置には小型軽量であることが求められる。そのため、温度センサを備えず小型軽量化を図ることができる本インバータ装置は有用である。また、屋外の環境、エンジンの熱等にさらされ、起動時の温度変化が大きいため、起動時の温度を高い精度で算出することができる本インバータ装置は有用である。

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、本発明の実施の形態１に係るインバータ装置２０とその周辺の電気回路である。運転前における磁石回転子５の位置決め通電について以下説明する。図２（Ａ）は、４極の場合において、固定子巻線４のＵ相とＶ相をＳ極に、Ｗ相をＮ極にして、磁石回転子５を位置決めする場合を示している。固定子巻線４のＳ極には磁石回転子５のＮ極が、固定子巻線４のＮ極には磁石回転子５のＳ極が、それぞれ対向して停止することにより、位置決めされる。このとき、インバータ装置２０の制御回路７は、図２（Ｂ）に示す如く、固定子巻線４のＷ相からＵ相及びＶ相へ電流が流れるように、スイッチング素子２を制御する。また、制御回路７は、電流センサ６により、モータの相電流を検出する。

図３に、上記スイッチングに関し、位置決めにおける上アームスイッチング素子のキャリア周期内でのＯＮ期間例を示す。細線はＵ相、中線はＶ相、太線はＷ相である。所定の一定電流が流れるように、通電期間を設定している。例として、バッテリー１の直流電圧をＤＣ３００Ｖ、図４に示す固定子巻線４の各相の抵抗値Ｒを１Ω、キャリア周波数１０ｋＨｚ（キャリア周期１００μＳ）とする。ここで、位置決めにおけるＷ相の相電流値を２０Ａとするためには、固定子巻線４の等価抵抗値が１．５Ωとなるので、ＤＣ３０Ｖ相当を印加する必要がある。ＤＣ３０Ｖは、ＤＣ３００Ｖの１０％である。従って、通電期間のＤｕｔｙ即ちΔｔと表示した前半と後半の期間合計を１０％（１０μＳ）にすればよい。おおよそ１００ｍＳ（キャリア周期１０００回）実行される。図５に、Ｗ相の相電流の時間経過を示す。電流が上昇し上記所定の一定直流電流が流れることにより、磁石回転子５が位置決めされる。このとき、電流センサ６により、モータの相電流を検出する。尚、図４のＬは、固定子巻線４各相のインダクタンスを示す。

運転時について以下説明する。運転中、制御回路７は、モータ１１を構成する磁石回転子５による固定子巻線４の誘起電圧を演算し、磁石回転子５の位置推定を行う。そして、この位置推定、コントローラ（図示せず）から通信線１２を介して送信されてくる回転数指令信号などに基づき、インバータ回路１０を構成するスイッチング素子２を制御し、バッテリー１からの直流電圧をＰＷＭ変調でスイッチングすることにより、正弦波状の交流電流をモータ１１の固定子巻線４へ出力する。制御回路７は、上アームスイッチング素子Ｕ、Ｖ、Ｗ、下アームスイッチング素子Ｘ、Ｙ、Ｚと、ドライブ回路（図示せず）などを介して接続線１８により接続されており、各スイッチング素子を制御している。スイッチング素子２がＩＧＢＴ、パワーＭＯＳＦＥＴの場合はゲート電圧を、パワートランジスタの場合はベース電流を制御する。また、温度保護のために、インバータ回路１０の温度が、サーミスタ温度センサ９から制御回路７へ伝達される。

次に、位置決め時における固定子巻線４の抵抗値算出について以下説明する。上記例において、固定子巻線４の各相の抵抗値Ｒが１、２Ωになったとする。相電流のフィードバック制御がない場合、Ｗ相の相電流値は１６．７Ａ（２０Ａ／１．２）に低下する。また、相電流のフィードバック制御がありＷ相の相電流値が２０Ａに維持される場合、通電期間のＤｕｔｙ即ちΔｔと表示した前半と後半の期間合計が１２％（１２μＳ＝１０μＳ＊１．２）になる。これにより、制御回路７は、上記電流値１６．７Ａ、もしくはＤｕｔｙ１２％に基づいて、固定子巻線４の各相の抵抗値Ｒは１、２Ωであると算出する。ここで、バッテリー１の直流電圧はＤＣ３００Ｖ一定としたが、この電圧変化も考慮することで更に精度を向上できる。

固定子巻線４の温度と固定子巻線４の各相の抵抗値との関係を図６に示す。固定子巻線４は銅線により構成されるため線形の関係になる。また、温度による変化が比較的大きい。この関係により、上記算出抵抗値からから固定子巻線４の温度を算出できる。

これにより、起動時において、温度センサを用いずにモータの温度を高い精度で算出することができる。上記位置決めするための電流値は２０Ａ前後と大きいため、電流センサは小さな電流を検出する必要はない。また、直流であるために、小さな抵抗値を容易に算出できる。そして、運転前に常に行う磁石回転子５の位置決めソフトを応用するのみであるため、当該機能追加はソフト面でも負担が小さい。

図７は、インバータ装置２０の当該作動例を示すフローチャートである。ステップ１０において、上述の位置決めを行う。この時、図３にΔｔと表示した前半と後半の期間において、電流がバッテリー１の直流電源ラインに流れる。この電流は、電流センサ６により検出される。そして、ステップ２０において、位置決め電流が安定したかどうか判定する。安定していなければ（Ｎ）、再度判定する。安定すれば（Ｙ）、ステップ３０において、上記の如く固定子巻線４の抵抗値を算出する。そして、ステップ４０において、固定子巻線４の温度を算出して完了する。

尚、上記実施の形態において、固定子巻線４のＵ相とＶ相をＳ極に、Ｗ相をＮ極にして、４極の磁石回転子５を位置決めする場合を示したが、これに限るものではなく、固定子巻線４のＳ極Ｎ極の相は任意であり、２極、６極等にも、また、固定子巻線４の２相のみに電流を流す場合にも適用できる。電流センサ６は、電源ラインのプラス側に設けても良い。また、下アームスイッチング素子と電源ラインのマイナス側に設けても良い。インバータ回路１０とモータ１１との間に設け、直接モータ電流（相電流）を検出しても良い。電流センサとしては、シャント抵抗、ホール素子を用いた電流センサなど瞬時ピーク電流が検出できるものであれば良い。位置決めの期間は、図３、図５の例に限らず時間など任意で良い。Ｗ相電流について示したが、Ｕ相、Ｖ相に関しても位相が異なるのみで同様な挙動をする。また、図３の上アームスイッチング素子のキャリア周期内でのＯＮ期間は３相変調について示したが、２相変調においても適用できる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２は、実施の形態１のインバータ装置２０において、算出温度を初期値として、もしくは、校正用の値として、運転時のモータ１１の温度を推定するものである。例えば、電動圧縮機 の吐出圧力とシェル吐出管内の冷媒流量とからシェル吐出温度 とモータ温度 を推定 するような場合、起動時の初期値として位置決め時の算出温度を用いることができる。また、起動時の推定値と位置決め時の算出温度とを比較し、推定値の校正に用いても良い。これにより、高い精度でモータの温度を推定することができる。特に、起動過渡時の精度を向上することができる。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る電動圧縮機を図８に示す。図の電動圧縮機２５において、金属製筐体３２の内部には、圧縮機構部２８、モータ１１が設置されている。冷媒は、吸入口３３から吸入され、圧縮機構部２８がモータ１１で駆動されることにより圧縮される。この圧縮された冷媒は、金属製筐体３２の内部においてモータ１１を通過し、その際にモータ１１の冷却を行い、吐出口３４より吐出される。

モータ１１の固定子巻線４は、金属製筐体３２の内部で、ターミナル３９に接続されている。サーミスタ温度センサは設けられていない。そのため、ターミナル３９の端子はモータ１１用の３本のみである。ターミナル３９は、金属製筐体３２の外部で、図１のインバータ装置２０に接続される。

高温高圧冷媒対応・冷媒オイル対応の温度センサ、高圧容器用の電気接続ターミナルに端子追加が不要であり、温度センサなしの効果が大きい。尚、上記実施の形態において、圧縮された冷媒がモータを冷却する高圧型について示したが、低圧型でもよい。電動圧縮機の圧縮機構部をスクロールとしたが、これに限るものではない。

（実施の形態４）
図９に、電動圧縮機４０の右側にインバータ装置２０を密着させて取り付けた図を示す。金属製筐体３２の中に圧縮機構部２８、モータ１１等が設置されている。冷媒は、吸入口３３から吸入され、圧縮機構部２８（この例ではスクロール）がモータ１１で駆動されることにより、圧縮される。この圧縮された冷媒は、モータ１１を通過する際にモータ１１を冷却し、吐出口３４より吐出される。即ち、電動圧縮機４０は高圧型である。

インバータ装置２０は電動圧縮機４０に取り付けられるように、ケース３０を使用している。発熱源となるインバータ回路部１０は、低圧配管３８を介して低圧冷媒で冷却される。そして、インバータ回路部１０の温度を検出するため、その近傍に、サーミスタ温度センサ９が設けられている。電動圧縮機４０の内部でモータ１１の固定子巻線４に接続されているターミナル３９は、インバータ回路部１０の出力部に接続される。保持部３５でインバータ装置２０に固定される接続線３６には、バッテリー１への電源線と回転数信号を送信するエアコンコントローラ（図示せず）との通信線１２がある。

インバータ装置２０の制御回路は、磁石回転子の位置決め時、電流検出器により検出される電流値に基づきモータ１１の固定子巻線４の抵抗値を算出し、当該抵抗値に基づいてモータ１１の温度を算出する。即ち、高圧側の温度を算出する。一方、インバータ回路部１０の温度は、サーミスタ温度センサ９により検出される。即ち、低圧側の温度が検出される。これにより、モータ１１の温度とインバータ回路部１０の温度との差から、起動時の冷媒圧力の差（差圧）を推定することができる。この差圧の大小に基づき起動時の制御を調節することにより、差圧小ならば小トルク、差圧大ならば大トルクとして、省エネで滑らかな起動を行うことができる。尚、上記実施の形態において、電動圧縮機の圧縮機構部をスクロールとしたが、これに限るものではない。

（実施の形態５）
本発明の実施の形態５に係る空調装置例の構成図を図１０に示す。この場合、車両用空調装置について説明する。図において、室内送風ファン５１の作用により、送風ダクト５３の空気導入口５２から空気を吸い込み、室内熱交換器５４で熱交換した空気が空気吹き出し口５５から車室内に吹き出される。室内熱交換器５４は、電動圧縮機２５、冷媒の流れを切替えて冷房と暖房を選択するための四方切替弁５９、絞り装置５６および室外ファン５７の作用で車室外空気と熱交換する室外熱交換器５８とともに冷凍サイクルを構成している。

インバータ装置２０、室内送風ファン５１、四方切替弁５９、および室外送風ファン５７は、エアコンコントローラ６２により動作が制御される。エアコンコントローラ６２は、室内送風の自動・強・弱・ＯＦＦを設定する室内送風ファンスイッチ６３、冷房・暖房・運転ＯＦＦを選択するエアコンスイッチ６４、温度調節スイッチ６５、空調用温度センサである車室内温度センサ６７、車室外温度センサ６８および車両コントローラ（図示せず）との通信を行うための通信装置６６と接続されている。

エアコンコントローラ６２は、上記スイッチ、センサ等からの情報に基づき、電動圧縮機２５の所要回転数を演算し、指令回転数として、通信線１２を介し、インバータ装置２０へ送信する。そして、インバータ装置２０は、当該指令回転数を受信し、当該指令回転数に電動圧縮機２５を制御する。

一例として、室内送風ファンスイッチ６３で送風が自動と操作され、エアコンスイッチ６４により暖房が指示されると、エアコンコントローラ６２は、車室外温度センサ６８により車室外温度を確認する。０℃以上であれば、ヒートポンプ暖房が可能と判断する。そして、四方切替弁５９を図１の破線状態に設定し、室内熱交換器５４を凝縮器、室外熱交換器５８を蒸発器としてそれぞれ作用させ、室外送風ファン５７をＯＮし、室内送風ファン５１を自動に設定運転する。また、指令回転数をインバータ装置２０へ送信して、温度調節スイッチ６５に従い、室内熱交換器５４の温度を、電動圧縮機２５の回転数を可変することにより、調節する。車室外温度が、０℃以下であれば、電気ヒータを作動させる。

ここで、インバータ装置２０は運転前において、磁石回転子の位置決め時、電流検出器により検出される電流値などの情報を、通信線１２を介し、エアコンコントローラ６２へ送信する。そして、エアコンコントローラ６２は、当該電流値に基づきモータの固定子巻線の抵抗値を算出し、当該抵抗値に基づいてモータの温度を算出する。そして、この算出温度を初期値、もしくは、校正用の値とすることにより、モータの運転時の温度を推定する。すなわち、インバータ装置２０に代わりエアコンコントローラ６２が演算を実行し、インバータ装置２０の負担を軽減している。エアコンコントローラ６２に限らず、車両など他の装置のコントローラでも良い。また、代わりに実行する演算は全てに限らず一部でも良い。

（実施の形態６）
図９は、本発明のインバータ装置２０（実施の形態１）と電動圧縮機２５（実施の形態３）を、空調装置に適用して車両７０に搭載した一例を示す。インバータ装置２０、電動圧縮機２５、室外熱交換器５８、室外ファン５７、車室外温度センサ６８が、車両７０前方の車両室外であるエンジンルーム（モータルーム）に搭載される。一方、車両室内には室内送風ファン５１、室内熱交換器５４、エアコンコントローラ６２、車室内温度センサ６７が配置されている。室内熱交換器５４で熱交換した空気が車室内に送風される。

車両に搭載される装置には小型軽量であることが求められる。そのため、温度センサを備えず小型軽量化を図ることができる本インバータ装置は有用である。また、屋外の環境、エンジンの熱等にさらされ、起動時の温度変化が大きいため、起動時の温度を高い精度で算出することができる本インバータ装置は有用である。

尚、上記各実施の形態において、直流電源をバッテリーとしたが、これに限るものではなく、商用交流電源を整流した直流電源などでもよい。モータをセンサレスＤＣブラシレスモータとしたが、リラクタンスモータ等位置決め必要なモータに適用できる。正弦波駆動に限らず、位置決め時に相電流の検出が必要となる駆動方式に適用できる。

以上のように、本発明にかかるインバータ装置は、温度センサを用いず、起動時のモータの温度を高い精度で算出することができる。また、高い精度でモータの温度を推定することができる。そのため、各種民生用製品、各種産業用機器に適用できる。

本発明の実施の形態１に係るインバータ装置とその周辺の電気回路図 同（Ａ）位置決め時における固定子巻線と磁石回転子の位置関係図、（Ｂ）同位置決め時における固定子巻線の電流説明図 同位置決め時における通電例を示す説明図 同固定子巻線のインピーダンスを示す説明図 同位置決めから運転に渡るＷ相の相電流説明図 同固定子巻線の抵抗値と温度との関係を示す説明図 同インバータ装置の作動例を示すフローチャート 本発明の実施の形態３に係る電動圧縮機の断面図 本発明の実施の形態４に係るインバータ装置一体型電動圧縮機の断面図 本発明の実施の形態５に係る空調装置の構成図 本発明の実施の形態６に係るインバータ装置を搭載した車両の模式図 従来のインバータ装置とその周辺の電気回路図 従来の電動圧縮機の断面図

符号の説明

１ バッテリー
２ スイッチング素子
４ 固定子巻線
５ 磁石回転子
６ 電流センサ
７ 制御回路
１０ インバータ回路
１１ センサレスＤＣブラシレスモータ
２０ インバータ装置
２５ 電動圧縮機
４０ 電動圧縮機（インバータ装置一体型）
７０ 車両

Claims (5)

1. 直流電源のプラス側に接続される上アームスイッチング素子とマイナス側に接続される下アームスイッチング素子とを備えたインバータ回路と、前記インバータ回路の出力電流を検出する電流検出器と、運転前において前記インバータ回路からモータへ直流電流を出力させて前記モータの磁石回転子の位置決めを行い、運転時においては前記インバータ回路から前記モータへ交流電流を出力させる制御回路とを備えたインバータ装置において、前記制御回路は、前記磁石回転子の位置決め時、前記電流検出器により検出される電流値に基づき前記モータの固定子巻線の抵抗値を算出し、当該抵抗値に基づいて前記モータの温度を算出するインバータ装置。
2. 前記算出温度を初期値として、もしくは、校正用の値として、運転時のモータの温度を推定する請求項１に記載のインバータ装置。
3. 前記モータは電動圧縮機のモータである請求項１または請求項２に記載のインバータ装置。
4. 前記電動圧縮機は高圧型であり、当該電動圧縮機に搭載される請求項３に記載のインバータ装置。
5. 車両に搭載される請求項１から請求項４のうちいずれか一項に記載のインバータ装置。

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