JP2010098813A - モータ制御装置,モータ制御システム,洗濯機及び永久磁石モータの着磁方法 - Google Patents

モータ制御装置,モータ制御システム,洗濯機及び永久磁石モータの着磁方法 Download PDF

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Abstract

【課題】4極以上のモータについて、低コストの位置センサを使用して永久磁石の着磁を行うことができるモータ制御装置を提供する。
【解決手段】低保磁力のアルニコ磁石をロータに配置して構成される48極/36スロットの永久磁石モータ1に対してホールセンサ68を配置し、着磁制御部58は、ホールセンサ68より出力されるセンサ信号に基づいて特定される同一のタイミングで、インバータ回路52を介してモータ1の巻線に2回通電を行い、ロータ3に配置される全てのアルニコ磁石9bを同レベルに着磁する。
【選択図】図1

Description

本発明は、着磁量を変更可能な程度に低保磁力である永久磁石がロータに配置される永久磁石モータを駆動するモータ制御装置,及び前記永久磁石モータと前記モータ制御装置備えてなるモータ制御システム,洗濯機並びに前記永久磁石モータの着磁方法に関する。
近年、消費電力の低減を目的として、永久磁石モータをインバータ装置によりベクトル制御して、低速から高速まで可変速運転する技術が普及している。また、特許文献1には、可変速運転範囲の全体に亘ってモータ効率を向上させることができ、信頼性の向上を実現する永久磁石式モータとして、以下のような構成が開示されている。当該モータは、巻線を設けたステータと、ステータ巻線の電流で作る磁界により不可逆的に磁束密度が変化する程度の低保磁力の永久磁石と、前記低保磁力の2倍以上の保磁力を有する高保磁力の永久磁石を配置したロータから構成されている。そして、電源電圧の最大電圧以上となる高速回転運転を行う場合は、低保磁力の永久磁石と高保磁力の永久磁石による全鎖交磁束が減じるように、電流による磁界で低保磁力の永久磁石を磁化させて全鎖交磁束量を調整することを可能としている。
特開2006−280195号公報
特許文献1では、ベクトル制御演算において得られるd軸電流を通電制御することで不可逆減磁を行っているが、同文献中で例示されている2極/3スロット構造のモータの場合、磁石を着磁させるための通電回数は1回で良く、通電する際のロータ位置(着磁位置)も特に問題とならない。
しかしながら、例えば4極/3スロット構造のモータの場合、d軸電流の通電回数や着磁位置、更には着磁する際のモータの回転数などが着磁特性に大きく影響を及ぼす。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、4極以上のモータについて、低コストの位置センサを使用して永久磁石の着磁を行うことができるモータ制御装置,前記永久磁石モータと前記モータ制御装置を備えてなるモータ制御システム,洗濯機,並びに前記永久磁石モータの着磁方法を提供することにある。
上記目的を達成するために、請求項1記載のモータ制御装置は、着磁量を変更可能な程度に低保磁力である永久磁石がロータに複数配置される永久磁石モータを駆動するものにおいて、
1つ以上の位置センサを用いて、前記ロータの回転位置を検出する位置検出手段と、
直流電圧源と前記モータの巻線との間に接続され、複数の半導体スイッチング素子を複数相接続して構成されるインバータ回路と、
このインバータ回路を介して前記モータの巻線に通電を行うことで、前記ロータを構成する永久磁石を着磁する着磁制御手段とを備え、
前記着磁制御手段は、前記位置センサより出力されるセンサ信号に基づいて特定される同一のタイミングで2回通電を行うことにより、前記複数の永久磁石の全てを同レベルに着磁することを特徴とする。
請求項8記載のモータ制御システムは、前記永久磁石モータと、請求項1乃至7の何れかに記載のモータ制御装置と備えて構成されることを特徴とする。
請求項9記載の洗濯機は、請求項8記載のモータ制御システムを備え、
前記永久磁石モータによって洗濯運転を行うための回転駆動力を発生させることを特徴とする。
本発明のモータ制御装置によれば、永久磁石モータのロータに複数の低保磁力永久磁石が配置されている場合、位置検出手段を構成する位置センサより出力されるセンサ信号に基づいて着磁用の通電を同一タイミングで2回行うことで、全ての永久磁石を同レベルに着磁して、永久磁石モータの特性を大きく変化させることができる。
本発明のモータ制御システムによれば、請求項1乃至7の何れかに記載のモータ制御装置により永久磁石モータを制御することができる。
本発明の洗濯機によれば、洗濯運転の態様に応じて、請求項1乃至7の何れかに記載のモータ制御装置により永久磁石モータの着磁量を変化させ、当該モータの特性を最適化することができる。
(第1実施例)
以下、本発明の第1実施例について図1乃至図9を参照して説明する。図2(a)は、永久磁石モータ1(アウタロータ型ブラシレスモータ)のロータの構成を示す平面図、図2(b)は斜視図である。尚、この永久磁石モータ1は、特許文献1に開示されているものと同様の特徴を有するモータを、アウタロータ型として構成したものである。
永久磁石モータ1は、ステータ2と、これの外周に設けたロータ3とから構成されている。ステータ2は、ステータコア4とステータ巻線5とから構成されている。ステータコア4は、打ち抜き形成した軟磁性体であるケイ素鋼板を多数枚積層してかしめることにより構成したもので、環状のヨーク部4aと、当該ヨーク部4aの外周部から放射状に突出する多数のティース部4bとを有している。ステータコア4の表面は、ロータ3の内周面との間に空隙を形成する外周面4c(各ティース部4bの先端面)を除き、PET樹脂(モールド樹脂)により覆われている。
また、このPET樹脂から成る複数の取付部6が、ステータ2の内周部に一体的に成形されている。これら取付部6には複数のねじ穴6aが設けられており、これら取付部6をねじ止めすることで、ステータ2が、この場合、ドラム式洗濯乾燥機21の水槽25(図3参照)の背面に固着されるようになっている。ステータ巻線5は三相からなり、各ティース部4bに巻装されている。
ロータ3は、フレーム7とロータコア8と複数の永久磁石9とを図示しないモールド樹脂により一体化した構成となっている。フレーム7は、磁性体である例えば鉄板をプレス加工することにより扁平な有底円筒状に形成したものである。ロータコア8は、ほぼ環状に打ち抜き形成した軟磁性体であるケイ素鋼板を多数枚積層してかしめることにより構成したもので、フレーム7の内周部に配置されている。このロータコア8の内周面(ステータ2の外周面(ステータコア4の外周面)と対向し当該ステータ2との間に空隙を形成する面)は、内方に向けて円弧状に突出する複数の凸部8aを有した凹凸状に形成されている。
これら複数の凸部8aの内部には、ロータコア8を軸方向(ケイ素鋼板の積層方向)に貫通する矩形状の挿入穴13が形成されており、これら複数の挿入穴13がロータコア8において環状に配置された構成となっている。また、これら複数の挿入穴13は、短辺の長さが異なる2種類の挿入穴13a,13bから構成されており、これら挿入穴13a,13bは、ロータコア8の周方向に沿って1つずつ交互に配置されている。
永久磁石9は、挿入穴13aに挿入された矩形状のネオジム磁石9a(高保磁力永久磁石)と、挿入穴13bに挿入された矩形状のアルニコ磁石9b(低保磁力永久磁石)とから構成されている。この場合、ネオジム磁石9aの保磁力は約900kA/m、アルニコ磁石9bの保磁力は約100kA/mであり、保磁力が9倍程度異なっている。すなわち、永久磁石9は保磁力が異なる2種類の永久磁石9a,9bから構成され、これら永久磁石9a,9bは、ロータコア8内部においてほぼ環状に且つ1つずつ交互に配置されている。
尚、ネオジム磁石9aが高保磁力であり、アルニコ磁石9bが低保磁力であるというのは、後述するようにステータ2を介して着磁電流を通電した場合に、アルニコ磁石9bの着磁量を変化させることができる程度の電流ではネオジム磁石9aの着磁量が変化しないという基準において、前者を高保磁力,後者を低保磁力と称している。
また、これら2種類の永久磁石9a,9bは、それぞれ1種類で1磁極を形成しており、その磁化方向が永久磁石モータ1の径方向(永久磁石モータ1の外周部からステータ2とロータ3間の空隙に向かう方向)に沿うように配設されている。このように2種類の永久磁石9a,9bを、交互に且つその磁化方向が径方向に沿うように配置することにより、隣同士に配置された永久磁石9a,9bが互いに反対方向に磁極を有する状態(一方のN極が内側、他方のN極が外側となる状態)となり、これらネオジム磁石9aとアルニコ磁石9bとの間に例えば矢印Bで示す方向に磁気経路(磁束)が生ずる。尚、上方の破線で示す矢印は、ロータコア8を経由する磁束である。すなわち、保磁力が大きいネオジム磁石9aと保磁力が小さいアルニコ磁石9bの双方を通過する磁気経路が形成されるようになっている。
そして、永久磁石モータ1は、48極/36スロット構成となっており、3スロット当たりでは4極が対応する(4極/3スロット)。
次に、上記のように構成された永久磁石モータ1を備えたドラム式洗濯乾燥機21の構成について説明する。図3は、ドラム式洗濯乾燥機21の内部構成を概略的に示す縦断側面図である。ドラム式洗濯乾燥機21の外殻を形成する外箱22は、前面に円形状に開口する洗濯物出入口23を有しており、この洗濯物出入口23は、ドア24により開閉されるようになっている。外箱22の内部には、背面が閉鎖された有底円筒状の水槽25が配置されており、この水槽25の背面中央部には上述の永久磁石モータ1(ステータ2)がねじ止めにより固着されている。この永久磁石モータ1の回転軸26は、後端部(図3では右側の端部)が永久磁石モータ1(ロータ3)の軸取付部10に固定されており、前端部(図3では左側の端部)が水槽25内に突出している。
回転軸26の前端部には、背面が閉鎖された有底円筒状のドラム27が水槽25に対して同軸状となるように固定されており、このドラム27は、永久磁石モータ1の駆動によりロータ3および回転軸26と一体的に回転する。なお、ドラム27には、空気および水を流通可能な複数の流通孔28と、ドラム27内の洗濯物の掻き上げやほぐしを行うための複数のバッフル29が設けられている。水槽25には給水弁30が接続されており、当該給水弁30が開放されると、水槽25内に給水されるようになっている。また、水槽25には排水弁31を有する排水ホース32が接続されており、当該排水弁31が開放されると、水槽25内の水が排出されるようになっている。
水槽25の下方には、前後方向へ延びる通風ダクト33が設けられている。この通風ダクト33の前端部は前部ダクト34を介して水槽25内に接続されており、後端部は後部ダクト35を介して水槽25内に接続されている。通風ダクト33の後端部には、送風ファン36が設けられており、この送風ファン36の送風作用により、水槽25内の空気が、矢印で示すように、前部ダクト34から通風ダクト33内に送られ、後部ダクト35を通して水槽25内に戻されるようになっている。
通風ダクト33内部の前端側には蒸発器37が配置されており、後端側には凝縮器38が配置されている。これら蒸発器37および凝縮器38は、コンプレッサ39および絞り弁40とともにヒートポンプ41を構成しており(図4参照)、通風ダクト33内を流れる空気は、蒸発器37により除湿され凝縮器38により加熱されて、水槽25内に循環される。絞り弁40は膨張弁から成り、開度調整機能を有している。
外箱22の前面にはドア24の上方に位置して操作パネル42が設けられており、この操作パネル42には運転コースなどを設定するための複数の操作スイッチ(図示せず)が設けられている。操作パネル42は、マイクロコンピュータを主体として構成されドラム式洗濯乾燥機21の運転全般を制御する制御回路部(図示せず)に接続されており、当該制御回路部は、操作パネル42を介して設定された内容に従って、永久磁石モータ1、給水弁30、排水弁31、コンプレッサ39、絞り弁40などの駆動を制御しながら各種の運転コースを実行する。また、図示しないが、コンプレッサ39を構成するコンプレッサモータも、永久磁石モータ1と同様の構成を採用している。
図1は、永久磁石モータ1の回転をベクトル制御するモータ制御装置50の構成をブロック図で示したものである。尚、上記コンプレッサモータも同様の構成によって制御される。ベクトル制御では、電機子巻線に流れる電流を、界磁である永久磁石の磁束方向と、それに直交する方向とに分離してそれらを独立に調整し、磁束と発生トルクとを制御する。電流制御には、モータ1のロータと共に回転する座標系、いわゆるd−q座標系で表わした電流値が用いられるが、d軸はロータに取り付けた永久磁石の作る磁束方向であり、q軸はd軸に直交する方向である。巻線に流れる電流のq軸成分であるq軸電流Iqは回転トルクを発生させる成分であり(トルク成分電流)、同d軸成分であるd軸電流Idは磁束を作る成分である(励磁または磁化成分電流)。
電流センサ51(U,V,W)は、モータ1の各相(U相、V相、W相)に流れる電流Iu,Iv,Iwを検出するセンサである。尚、電流センサ51(電流検出手段)に替えて、インバータ回路52(駆動手段)を構成する下アーム側のスイッチング素子とグランドとの間に3個のシャント抵抗を配置し、それらの端子電圧に基づいて電流Iu,Iv,Iwを検出する構成としても良い。
電流センサ51により検出された電流Iu,Iv,Iwは、図示しないA/D変換器によりA/D変換されるとuvw/dq座標変換器53により2相電流Iα,Iβに変換された後、更にd軸電流Id,q軸電流Iqに変換される。α,βは、モータ1のステータに固定された2軸座標系の座標軸である。ここでの座標変換の計算には、速度・位置推定部54により推定されるロータの回転位置推定値(α軸とd軸との位相差の推定値)θ_est,若しくは速度・位置検出部55により検出される回転位置検出値θ_hの何れかが、切換えスイッチ56により選択されて出力される位相θが用いられる。また、速度・位置推定部54により推定されるモータ1の回転速度(角速度)ω_estと、速度・位置検出部55により検出される回転速度ω_hとは、切換えスイッチ56に連動する切換えスイッチ57により選択されて回転速度ωが出力される。
着磁制御部58(着磁制御手段)は、上記位相θ及び回転速度ωに基づいて決定した、アルニコ磁石9bを着磁するための着磁電流指令Id_com2を加算器59に出力し、加算器59は、その着磁電流指令Id_com2に弱め界磁電流指令Id_com1を加算した結果を、d軸電流指令値Id_refとして電流制御部60に出力する。また、外部より与えられる回転数指令値ω_refは、減算器61において回転速度ωとの差が求められると、その差が比例積分器62で比例積分演算され、q軸電流指令値Iq_refとして電流制御部60に出力される。
電流制御部60では、減算器63d,63qにおいてd軸電流指令値Id_ref,q軸電流指令値Iq_refとd軸電流Id,q軸電流Iqとの差がそれぞれ求められ、その差が比例積分器64d,64qで比例積分演算される。そして、比例積分演算の結果は、d−q座標系で表わされた出力電圧指令値Vd,Vqとして、dq/uvw座標変換器65に出力される。
dq/uvw座標変換器65では、電圧指令値Vd,Vqは、α−β座標系で表わした値に変換された後、更にステータ2の各相電圧指令値Vu,Vv,Vwに変換される。なお、dq/uvw座標変換器65における座標変換の計算にも、後述する磁極位置θが用いられる。
各相電圧指令値Vu,Vv,Vwは電力変換部66に入力され、指令値に一致する電圧を供給するためのパルス幅変調されたゲート駆動信号が形成される。インバータ回路52は例えばIGBTなどのスイッチング素子を三相ブリッジ接続して構成され、図示しない直流電源回路より直流電圧の供給を受けるようになっている。電力変換部66で形成されたゲート駆動信号は、インバータ回路52を構成する各スイッチング素子のゲートに与えられ、それにより各相電圧指令値Vu,Vv,Vwに一致するPWM変調された三相交流電圧が生成されてモータ1の巻線5に印加される。
上記の構成において、電流制御器60では比例積分(PI)演算によるフィードバック制御が行なわれ、d軸電流Id,q軸電流Iqはそれぞれd軸電流指令値Id_ref,q軸電流指令値Iq_refに一致するように制御される。その制御結果としての角速度推定値ωが減算器61にフィードバックされ、比例積分器62は、比例積分演算により偏差Δωをゼロに収束させる。その結果、回転速度ωは指令値ωrefに一致するようになる。
速度・位置推定部54(速度・位置推定手段)は、モータ1の角速度ω,ロータの回転位置θをそれぞれ推定するもので、モータ1の回路定数(モータ定数)である電機子巻線のd軸インダクタンスLd,q軸インダクタンスLq,巻線抵抗値Rの各値が記憶されていると共に、d軸電流Id,q軸電流Iq及びd軸出力電圧指令値Vdが入力されている。速度・位置推定部54は、(1)式のd軸モータ電圧方程式を用いて、モータ1の回転速度ω_estを推定する。
Vd=R・Id+ω_est・Lq・Iq …(1)
更に、角速度ω_estを積分器67で積分し、その積分結果が回転位置推定値θ_estとして出力される。
モータ1には、ホールICを用いて構成される位置センサ:ホールセンサ68が3個(U,V,W)配置されており、これらのホールセンサ68により出力される位置信号Hu,Hv,Hwは、速度・位置検出部55に与えられている。速度・位置検出部55は、位置信号Hu,Hv,Hwに基づいて回転位置検出値θ_h,回転速度検出値ω_hを算出して出力する。
図5は、3つのホールセンサ68により出力される位置信号Hu,Hv,Hwと電気角との関係を示すものである。位置信号Hu,Hv,Hwの立上りエッジは、それぞれ電気角30度,−30度(330度),90度となるように60度間隔で配置されている。この場合、電気角0度は、位置信号Hvの立上りエッジと、位置信号Huの立上りエッジとの中間位相に位置する。したがって、各位置信号の立ち下がりエッジも加えることで、電気角1周期を60度間隔で分割したロータ位置を得ることができる。
なお、以上の構成において、モータ制御装置50に永久磁石モータ1を加えたものが、モータ制御システム70を構成している。また、インバータ回路52,PWM形成部62を除く部分は、モータ制御装置50を構成するマイクロコンピュータのソフトウエアにより実現されている機能である。
次に、上記のように永久磁石モータ1を備えたドラム式洗濯乾燥機21の作用について説明する。制御回路部がインバータ回路52を介してステータ巻線5に通電すると、電機子反作用による外部磁界(ステータ巻線5を流れる電流により発生する磁界)が、ロータ3の永久磁石9a,9bに作用するようになる。そして、これら永久磁石9a,9bのうち、保磁力が小さいアルニコ磁石9bの磁化状態が、この電機子反作用による外部磁界により減磁または増磁され、これにより、ステータ巻線5に鎖交する磁束量(鎖交磁束量)を増減することができる。そこで、本実施例では、制御回路部は、ステータ巻線5の通電を制御することにより、アルニコ磁石9bの磁化状態を運転行程(洗濯行程、脱水行程、乾燥行程)ごとに切り換えて実行する。ここで、各運転行程における動作内容について順に説明する。
まず、洗濯行程では、制御回路部は、給水弁30を開放して水槽25内に給水を行い、続いてドラム27を回転させて洗濯を行う。この洗濯行程では、水を含んだ洗濯物をバッフル29によって掻き上げるためドラム27を高トルクで回転させる必要があるが、回転速度は低速でよい。そこで、制御回路部は、アルニコ磁石9bの磁化状態が増磁されるように、インバータ回路52によるステータ巻線5の通電を制御する。これにより、ステータ巻線5に作用する磁束量が多く(磁力が強く)なることから、ドラム27を高トルク低速度で回転させることができる。
次に、脱水行程では、制御回路部は、排水弁31を開放して水槽25内の水を排出し、続いてドラム27を高速回転させることにより洗濯物に含まれる水分を脱水する。この脱水行程においては、脱水効率を向上するためにドラム27を高速で回転させる必要があるが、トルクは小さくてもよい。そこで、制御回路部は、アルニコ磁石9bの磁化状態が減磁されるように、インバータ回路52によるステータ巻線5の通電を制御する。これにより、ステータ巻線5に作用する磁束量が少なく(磁力が弱く)なることから、ドラム27を低トルク高速度で回転させることができる。
最後に、乾燥行程では、制御回路部は、送風ファン36およびヒートポンプ41を駆動させるとともにドラム27を回転させることにより洗濯物の乾燥を行う。この乾燥行程においては、制御回路部は、次回の洗濯行程に備えて、アルニコ磁石9bの磁化状態が増磁されるように、インバータ回路52によるステータ巻線5の通電を制御する。これにより、ステータ巻線5に作用する磁束量を多くした状態とすることができ、次回の洗濯行程において、ドラム27を高トルク低速度で回転させ易くすることができる。
次に、上述のように洗濯乾燥機21の運転状態に応じて、アルニコ磁石9bの着磁量,モータ1の磁束量,特性を変更する場合の制御について図6及び図7も参照して説明する。今、モータ1のステータ2とロータ3との位置関係が図6(a)に示す状態にあるとすると、図中にAで示すアルニコ磁石9b(以下、磁石Aと称す)を増磁させるような磁界を発生させるため、U相,W相の巻線5に通電を行う。
この場合、ステータ2が発生する磁界は、ロータ3にネオジム磁石9aと1個置きに配置される全てのアルニコ磁石9bの内、1/2となる磁石Aを通過する着磁磁束量が最大となり、残りの1/2となるBのアルニコ磁石9b(以下、磁石Bと称す)については、ステータ2が発生した磁界がかかることはなく(すなわち、着磁磁束量が最小となる)、増磁,減磁は生じない。
そして、磁石Bを増磁する際には、モータ1が回転中であれば、図6(b)に示すように、図6(a)における磁石Aの位置に磁石Bが到達した時点で2回目の増磁電流を通電する。この位置関係では、磁石Bを通過する着磁磁束量が最大となり、磁石Aについては、ステータ2が発生した磁界がかかることはなく、既に着磁された状態に影響が及ぶことはない。
また、モータ1の回転が停止中であれば、直流励磁による位置決めを行い、図6(a)に示す位置関係となるようにロータ3を動かして通電する。アルニコ磁石9bを減磁させる場合は、上記と同様の位置関係においてU相,W相の巻線5に通電する電流の極性を反転させれば良い。巻線5に通電する電流量に応じてアルニコ磁石9bの増減磁量が決まるので、増減磁させる変化量を大きくしたい場合には、それに比例した振幅の電流を通電するのが望ましい。
次に、通電可能電流と、モータ回転数との関係について説明する。一般に、モータの回転数が上昇すると、それに比例して発生する誘起電圧レベルも上昇する。(2)式は、q軸モータ電圧方程式であり、モータ1の誘起電圧Eqが増加すると、それに応じてq軸電圧Vqも増加することが判る。
Vq=R・Iq−ω・Ld・Id+Eq …(2)
そして、(3)式は、インバータ回路52の出力電圧Vdqであり、d軸電圧Vdと、q軸電圧Vqとの2乗和の平方根となる。尚、√()は、括弧内の数値の平方根を示すものとする。
Vdq=√(Vd+Vq) …(3)
また、インバータ回路52に供給される直流電源電圧Vdcより、出力電圧Vdqの√(3)倍を減じたものが、インバータ回路52の余裕電圧Vdc’となる。
Vdc’=Vdc−√(3)・Vdq …(4)
この余裕電圧Vdc’分で、アルニコ磁石9bを増減磁するための電流を通電する。
例えばモータ1が停止中であれば誘起電圧はゼロであるから、直流電源電圧Vdcを100%用いて着磁を行うことができる。一方、モータ1の回転数が高く、出力電圧Vdqが直流電源電圧Vdcの90%程度に達している場合は、着磁のための通電電流は10%となる。増減磁電流Idは、(5)式で表わされる。
Id=Vdc’/(R+ω・Ld) …(5)
ここでのωは、増減磁電流Idの立上り,立下がり時間を周波数に換算したものである。すなわち、使える電圧が小さければ増減磁電流も小さくなるので、アルニコ磁石9bの着磁量をより大きく変化させたい場合には、モータ1の回転数が低い期間に行うことが望ましい。
そして、図6(a),(b)に示すような位置でアルニコ磁石9bの着磁を行うには、図6(a)にZで示す磁石9bの位置を電気角0度とすると、図6(a)に示すステータ2とロータ3との位置関係は、電気角−150度に対応する。また、図6(b)に示す位置関係は、次の電気角周期の−150度に対応する。そこで本実施例では、ホールセンサ68Uが出力する位置信号Huの立ち下がりエッジが電気角−150度に対応するように、ホールセンサ68Uを配置する。
図7は、モータ1の回転が停止している状態から起動した直後の低速期間において、図6(a),(b)に示す位置でアルニコ磁石9bの着磁を行う場合のタイミングチャートである。モータ1が停止している状態では、q軸電流Iq,d軸電流Idは何れもゼロであり、ホールセンサ68により検出したロータ位置:電気角に基づいてq軸電流Iqを通電し、モータ1を起動する(図7(d),時点(1)参照)。
そして、位置信号Huの立ち下がりエッジタイミング(−150度)である図7(a),(b)の時点(2)でd軸電流Idをパルス状に出力し(増減磁電流)、1回目の着磁(磁石Aの着磁)を行う。アルニコ磁石9bを増磁する場合は正極性の電流を通電し、減磁する場合は負極性の電流を通電する。通電時間は、例えば1ms〜20ms程度とする。1回目の通電を行うと、モータ1の起動を引き続き行い、電気角で1周期後となる次の位置信号Huの立ち下がりエッジタイミングでも同様にd軸電流Idをパルス状に出力し、図7(a),(b)の時点(3)に示す位置で2回目の着磁(磁石Bの着磁)を行う。
この場合、モータ1が停止している状態から、最初に位置信号Huの立ち下がりエッジを検出したタイミングと、そこから電気角360度回転した次の同エッジ検出タイミングとで通電を行うため、モータ1の回転数は非常に低速の領域にあり、洗濯機21に使用されるモータ1の場合、ドラム27や負荷のイナーシャを考慮すると、回転数は例えば5〜10rpm程度になると想定される。モータ1の誘起電圧定数が0.25[V/rpm]程度あるとすれば、発生する誘起電圧は2.5V程度であるから、インバータ回路52に供給される直流電源電圧が280Vであれば、ほぼ100%に近い電圧分を増減磁用の通電に使用できる。
またこの場合、増減磁電流の振幅のピークが電気角−150度に一致するのが望ましい。例えば増減磁電流の立上り,立ち下がりにそれぞれ5msを要する場合は、それに応じて通電タイミングが5ms相当の位相だけ進み側となるように調整する。この調整を一般化すると、速度・位置検出部55,又は速度・位置推定部54より与えられるモータ1の回転数をω(Hz),増減磁電流の立上り時間をt(sec)とすると、調整位相角θadd(deg)は(6)式で表わされる。
θadd=t×ω×360 …(6)
例えばt=5ms,ω=20Hzとすると、θadd=36度となるから、実際の通電開始角度は、−150−36=−186(度),すなわち+174度にすれば良い。
また、図7に示すタイミングで2回着磁を行うことは、図8及び図9に示すタイミングで2回着磁を行う場合と同様である。図8及び図9は、図7の(b),(e)のみを示したもので、図8はモータ1を一定速度で回転させている場合について図7と同様に着磁を行うケースである。また、図9は、図8と同様に定速回転させている場合で、1回目の通電で磁石Aを着磁した3電気周期後に2回目の通電を行い、磁石Bを着磁するケースである。すなわち、1電気周期が経過する毎に、最適な着磁対象磁石は、B,A,B,A,…と交互に変化するからである。
以上のように本実施例によれば、低保磁力のアルニコ磁石9bをロータ3に配置して構成される48極/36スロットの永久磁石モータ1に対してホールセンサ68を配置し、
着磁制御部58は、ホールセンサ68より出力されるセンサ信号に基づいて特定される同一のタイミングで、インバータ回路52を介してモータ1の巻線5に2回通電を行い、ロータ3に配置される全てのアルニコ磁石9bを同レベルに着磁するようにした。
すなわち、48極/36スロット構成の場合、特定の電気角におけるステータ2とロータ3とは、ネオジム磁石9aと1個置きに配置されるアルニコ磁石9bの1/2を着磁するのに適した位置関係となり、その状態から電気角で1周期が経過すると、アルニコ磁石9bの残りの1/2を着磁するのに適した位置関係となる。したがって、ロータ3に配置される全てのアルニコ磁石9bを同レベルに着磁することができる。
また、着磁制御部58は、着磁対象とするアルニコ磁石9b(例えば図6に示す磁石A)を通過する磁束量が最大になると共に、着磁対象外のアルニコ磁石9b(同磁石B)を通過する磁束量が最小となる回転位置に対応するタイミングで着磁を行うので、アルニコ磁石9bの1/2を着磁する場合に、残り1/2のアルニコ磁石9bの着磁状態に影響を及ぼすことを回避できる。
そして、ホールセンサ68の1つであるセンサ68uを、着磁制御部58が着磁を行う回転位置で位置信号Huのレベル変化が最大となる立ち下がりエッジが出力されるようにモータ1に配置するので、その立ち下がりエッジを検出すれば着磁タイミングを容易に特定できる。また、着磁制御部58は、モータ1が起動した直後に着磁を行うので、モータ1が発生する誘起電圧が低い期間に、高い出力電圧で通電した着磁を行うことができ、アルニコ磁石9bの着磁量を大きく変化させることができる。
加えて、着磁制御部58は、モータ1の回転速度が速くなるのに応じて、着磁を行うタイミングを進み側にずらすように調整するので、着磁電流振幅のピークにおいて発生する磁界が最大となる位置でアルニコ磁石9bを着磁することができる。
そして、洗濯乾燥機21は、永久磁石モータ1により洗濯運転や脱水運転を行うための駆動力を発生させるので、洗濯運転において要求される低速回転・高出力トルクでの駆動特性,脱水運転において要求される高速回転・低出力トルクでの駆動特性に応じてモータ1の特性を変化させ、最適効率で運転を行うことで消費電力を低減することができる。特に脱水運転では、弱め界磁制御を行う必要をなくしたり、若しくは弱め界磁制御を最小限にしてモータ1の回転数を上昇させることができ、効率を向上させることができる。また、ヒートポンプ41を構成するコンプレッサ39を駆動する永久磁石モータについても同様に制御すれば、乾燥運転を行う場合も同様の効果が得られる。
(第2実施例)
図10及び図11は本発明の第2実施例を示すものであり、第1実施例と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分について説明する。第2実施例では、位置検出手段として、第1実施例のホールセンサ68に替えて、光学式の位置センサ71を使用する場合を示す。
図10(b)は、ロータ3を構成するフレーム7の下端側を一部のみ示す斜視図であるが、フレーム7の下端部に、凸部72がアルニコ磁石9bの各位置に対応して配置されている。位置センサ71は透過型の光センサであり、図10(a)に示すように投光素子71Tと受光素子71Rとの組み合わせで構成されている。そして、電気角60度に相当する間隔で、図10(a)中で奥側から手前側にかけて、71W,71U,71Vの順で配置されている。
図10(c)は、モータ1が組み付けられた状態で、固定側となる位置センサ71と、凸部72とが組み合わされた状態を示している。すなわち、ロータ3が回転すると、凸部72が、位置センサ71の投光素子71Tと受光素子71Rとの間を通過するように組み合わされ、図11に示すように、凸部72が両者間を通過する際に、投光素子71Tが発した光が遮られて受光素子71Rが受光できなくなることで、出力信号(位置信号)がハイレベルからロウレベルに変化する。
以上のように構成される位置センサ71を用いた場合も、第1実施例と同様の作用効果を得ることができる。また、光学式の位置センサ71は、ホールセンサ68に比較して低コストであるから、コストメリットを得ることができる。
本発明は上記し又は図面に記載した実施例にのみ限定されるものではなく、以下のような変形または拡張が可能である。
モータ1の回転が停止する直前にアルニコ磁石9bの着磁を行っても良い。
着磁を行うタイミングが、位置信号Huの立下がりエッジに一致するように調整する必要はなく、立上りエッジや、Hv,Hwのエッジでも良い。また、必ずしもエッジに対応するように調整する必要はなく、エッジを基準として所定位相だけ異なるタイミングとなるように調整しても良い。
特許文献1に開示されているような、IPM(Interior Permanent Magnet)タイプの永久磁石モータに適用しても良い。
乾燥機能を持たない洗濯機に適用しても良い。
低保磁力永久磁石は、アルニコ磁石9bに限ることなく、インバータ回路を介して通電を行うことで発生させる磁界により着磁量が変化可能な程度に保磁力が低い永久磁石であれば材料はとはない。同様に、高保磁力永久磁石もネオジム磁石9aに限ることはない。
更に、低保磁力永久磁石の着磁量を変化させることで、要求される運転特性を満たすことができる場合は、高保磁力永久磁石は不要である。
永久磁石モータは、48極/36スロット構成に限ることなく、3スロット当たり4極構成のモータであれば適用が可能である。
着磁電流の立上り時間に応じたタイミングの補正は、必要に応じて行えば良い。例えば、立上り時間が非常に短く影響がない場合や、既知の立上り時間に応じて位置センサの配置が調整されている場合には補正は不要である。
また、洗濯機や空調機に限ることなく、低保磁力永久磁石を備えて構成されるモータの磁束量を変化させるものであれば、広く適用することができる。
本発明を洗濯機に適用した場合の第1実施例であり、モータの回転をベクトル制御する構成を示す機能ブロック図 (a)は永久磁石モータの構成を示すステータ側から見た平面図、(b)はロータの一部を示す斜視図 洗濯乾燥機の構成を示す縦断側面図 ヒートポンプの構成を示す図 ホールセンサにより出力される位置信号Hu,Hv,Hwと電気角との関係を示す図 アルニコ磁石を着磁する場合のステータとロータとの位置関係を示す図 モータの起動時にアルニコ磁石を着磁する場合のタイミングチャート モータの定速回転時の図7相当図(その1) モータの定速回転時の図7相当図(その2) 本発明の第2実施例であり、光学式位置センサの構成を示す図 光学式位置センサによる位置検出を説明する図
符号の説明
図面中、1は永久磁石モータ、3はロータ、5はステータ巻線、9aはネオジム磁石(高保磁力永久磁石)、9bはアルニコ磁石(低保磁力永久磁石)、21は洗濯乾燥機、39はコンプレッサ、41はヒートポンプ、50はモータ制御装置、51は電流センサ(電流検出手段)、52はインバータ回路(駆動手段)、58は着磁電流制御部(着磁制御手段)、63は速度・位置推定部(速度・位置推定手段)、68はホールセンサ(位置検出手段)、70はモータ制御システム、71は位置センサ(位置検出手段)を示す。

Claims (16)

  1. 着磁量を変更可能な程度に低保磁力である永久磁石がロータに複数配置される永久磁石モータを駆動するモータ制御装置において、
    1つ以上の位置センサを用いて、前記ロータの回転位置を検出する位置検出手段と、
    直流電圧源と前記モータの巻線との間に接続され、複数の半導体スイッチング素子を複数相接続して構成されるインバータ回路と、
    このインバータ回路を介して前記モータの巻線に通電を行うことで、前記ロータを構成する永久磁石を着磁する着磁制御手段とを備え、
    前記着磁制御手段は、前記位置センサより出力されるセンサ信号に基づいて特定される同一のタイミングで2回通電を行うことにより、前記複数の永久磁石の全てを同レベルに着磁することを特徴とするモータ制御装置。
  2. 4極/3スロット構成の永久磁石モータを、駆動対象とすることを特徴とする請求項1記載のモータ制御装置。
  3. 前記ロータにおいて、前記低保磁力の永久磁石と、着磁量が変化しない程度に高保磁力の永久磁石とが交互に配置される構成の永久磁石モータを、駆動対象とすることを特徴とする請求項1又は2記載のモータ制御装置。
  4. 前記着磁制御手段は、着磁対象とする永久磁石を通過する磁束量が最大になると共に、その他の永久磁石を通過する磁束量が最小となる回転位置に対応するタイミングで着磁を行うことを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載のモータ制御装置。
  5. 前記位置センサの少なくとも1つは、前記着磁制御手段が着磁を行う回転位置でセンサ信号のレベル変化が最大となるように、前記モータに配置されていることを特徴とする請求項4記載のモータ制御装置。
  6. 前記着磁制御手段は、前記モータが起動した直後、又は前記モータが停止する直前に着磁を行うことを特徴とする請求項1乃至5の何れかに記載のモータ制御装置。
  7. 前記モータの回転速度を検出する速度検出手段を備え、
    前記着磁制御手段は、前記回転速度が速くなるのに応じて、着磁を行うタイミングを進み側にずらすように調整することを特徴とする請求項1乃至6の何れかに記載のモータ制御装置。
  8. 前記永久磁石モータと、
    請求項1乃至7の何れかに記載のモータ制御装置と備えて構成されることを特徴とするモータ制御システム。
  9. 請求項8記載のモータ制御システムを備え、
    前記永久磁石モータによって洗濯運転を行うための回転駆動力を発生させることを特徴とする洗濯機。
  10. 着磁量を変更可能な程度に低保磁力である永久磁石がロータに複数配置される永久磁石モータの巻線にインバータ回路を介して通電を行うことで、前記永久磁石を着磁する方法において、
    1つ以上の位置センサによって、前記ロータの回転位置を検出し、
    前記位置センサより出力されるセンサ信号に基づいて特定される同一のタイミングで2回通電を行うことにより、前記複数の永久磁石の全てを同レベルに着磁することを特徴とする永久磁石モータの着磁方法。
  11. 4極/3スロット構成の永久磁石モータを、着磁対象とすることを特徴とする請求項10記載の永久磁石モータの着磁方法。
  12. 前記ロータに、前記低保磁力の永久磁石と、着磁量が変化しない程度に高保磁力の永久磁石とが交互に配置される構成の永久磁石モータを、着磁対象とすることを特徴とする請求項10又は11記載の永久磁石モータの着磁方法。
  13. 着磁対象とする永久磁石を通過する磁束量が最大になると共に、その他の永久磁石を通過する磁束量が最小となる回転位置に対応するタイミングで着磁を行うことを特徴とする請求項10乃至12の何れかに記載の永久磁石モータの着磁方法。
  14. 前記位置センサの少なくとも1つを、着磁を行う回転位置でセンサ信号のレベル変化が最大となるように、前記モータに配置することを特徴とする請求項13記載の永久磁石モータの着磁方法。
  15. 前記モータが起動した直後、又は前記モータが停止する直前に着磁を行うことを特徴とする請求項10乃至14の何れかに記載の永久磁石モータの着磁方法。
  16. 前記モータの回転速度を検出し、
    前記回転速度が速くなるのに応じて、着磁を行うタイミングを進み側にずらすように調整することを特徴とする請求項10乃至15の何れかに記載の永久磁石モータの着磁方法。
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