JP2012019563A - モータの駆動装置およびその冷蔵庫 - Google Patents

Abstract

【課題】モータの停止状態を検出する保護回路があるものの、回転子に近接して設置する必要のある検出部（ホール素子やサーミスタ）を用いるため、圧縮機のような過酷環境下に実装されたモータの保護回路としては不向きであるという課題があった。
【解決手段】位置検出部と停止検出部がモータに近接設置されていないことを特徴とするモータの制御装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷蔵庫やエアコンなどの圧縮機などに用いられるブラシレスモータに係り、特に、このモータの回転が無くなったことを検出する手段を２つ有し、一方が故障しても他方が検出することで、確実にモータの駆動信号を停止するようにしたモータ保護装置に関する。

近年の冷蔵庫は４００Ｌ以上の大型機種が主力となり、それらの冷蔵庫は、高効率な圧縮機の回転数を可変駆動させるインバータ制御冷蔵庫が大半を占めている。これらの冷蔵庫用圧縮機では高効率化のために、巻き数を増加させた高インダクタンスの固定子巻線を搭載するものが増えてきている。そのため、回転子が拘束されるなどの異常時でも比較的電流ピークが抑制されてしまう傾向にあり、電流ヒューズ等のデバイスでは異常を検出できない場合がある。一方、巻き数を稼ぐために線径は小さく線長は長く、つまり巻き線抵抗は大きくなり、単位電流辺りの発熱量は増加する傾向にある。

また、圧縮機の中という高温、高圧、冷媒雰囲気、オイル雰囲気という環境下にモータを設置するため、通常使われるようなホール素子などの位置検出センサ耐久性が持たず使用できない。

従来の技術は、例えば、特許文献１に示されている。その従来の技術を図面に従って説明する。図１０は従来のモータの駆動回路の構成図である。

図１０において、同図中の駆動コイル１１７ａ〜１１７ｃは、電気的に１２０゜の位相差をもって配置され、例えば１００Ｖ〜２００Ｖの駆動電圧で三相駆動し得るように巻かれている。また、この駆動コイルの通電により回転するロータの回転位置を磁気的に検出するための三つのホール素子製の検出センサ１５１ａ〜１５１ｃが設けられている。

さらに、１６１は商用交流電源１６２に接続されたＡＣーＤＣ変換器としての整流スタックである。この整流スタック１６１の出力端は、第１スイッチングトランジスタ１６３のコレクタ・エミッタ間、及び前記エミッタにコレクタが接続された第２スイッチングトランジスタ１６４のコレクタ・エミッタ間を介してグランドに接続されている。同様に、整流スタック１６１の出力端は、第３スイッチングトランジスタ１６５のコレクタ・エミッタ間、及び前記エミッタにコレクタが接続された第４スイッチングトランジスタ１６６のコレクタ・エミッタ間を介してグランドに接続されているとともに、同出力端は、第５スイッチングトランジスタ１６７のコレクタ・エミッタ間、及び前記エミッタにコレクタが接続された第６スイッチングトランジスタ１６８のコレクタ・エミッタ間を介してグランドに接続されている。

前記駆動コイル１１７ａは、第１スイッチングトランジスタ１６３のエミッタと第２スイッチングトランジスタ１６４のコレクタとの接続点に接続されている。同様に前記駆動コイル１１７ｂは、第３スイッチングトランジスタ１６５のエミッタと第４スイッチングトランジスタ１６６のコレクタとの接続点に接続されているとともに、前記駆動コイル１１７ｃは、第５スイッチングトランジスタ１６７のエミッタと第６スイッチングトランジスタ１６８のコレクタとの接続点に接続されている。

前記検出センサ１５１ａ〜１５１ｃの出力端は夫々信号分配回路１６９に接続されている。この回路１６９はＩＣからなり、各トランジスタ１６３〜１６８の数と同数の出力端を有し、これらは各トランジスタ１６３〜１６８に夫々別々に対応して設けられたアンドゲート１７０〜１７５の一方の入力端に接続されている。各アンドゲート１７０〜１７５の他方の入力端には保護回路１８１の出力端が夫々接続されている。各アンドゲート１７０〜１７５の出力端は各トランジスタ１６３〜１６８のベースの夫々別々に接続されている。

特開平３−２９３２２７号公報

しかしながら、従来の構成では、次のような課題があった。

従来技術のように、駆動コイルの温度やロータの磁界を検出するためのセンサを、モータの近接位置に設置出来ない場合、モータの異常状態を検出することは不可能となる。具体的には、圧縮機用のモータなど、モータがセンサを設置できないような過酷環境化に実装されている場合が、近接設置できない事例に相当する。

本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、モータの異常を検出するためのセンサを比較的遠隔な位置に設置しつつ、モータの異常を確実に検出する制御方法及び制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、所定周波数を変化させながらその周波数に同期させた波形を発生する同期駆動波形発生部がモータを駆動する方法を備えており、インバータへの供給電圧の状態に応じてモータに流れる電流を制御することを可能にしたものである。

これによって、モータに近接設置できないような場合でもモータ異常を検出することが可能となり、絶縁破壊を引き起こすような温度上昇を未然に防ぐことが可能となり、安全性向上の効果を発揮できる。

本発明は、感熱デバイス（温度ヒューズ・温度センサなど）や磁界検出デバイス（ホール素子など）のようなモータに近接設置しなくてはモータ異常を検出できないデバイスを使わないことで、モータに近接設置できないような場合でもモータ異常を検出することが可能となり、絶縁破壊を引き起こすような温度上昇を未然に防ぐことが可能となり、安全性向上の効果を発揮できる。

本発明の実施の形態１における保護装置付きモータの駆動回路のブロック図 本実施の形態１における圧縮機の内部機構概略図 本発明の実施の形態１におけるレシプロ方式圧縮機カム機構部分の機構概略図 本発明の実施の形態１におけるレシプロ方式圧縮機に対する２方向振動成分の特性図 本発明の実施の形態１における遠隔設置式振動センサを備えた位置検出部の構成を示したブロック図と特性図 本発明の実施の形態１における遠隔設置式振動センサを備えた停止検出部の構成を示したブロック図 本発明の実施の形態１におけるレシプロ方式圧縮機に対するＸ軸方向振動成分の特性図 本発明の実施の形態１における冷蔵庫の冷却システム構成を示した概略図 本発明の実施の形態２における独立した２つ以上の保護装置を有するモータ駆動回路のブロック図 従来の保護装置付きモータの駆動回路のブロック図

請求項１に記載の発明は、複数のトランジスタを用いたモータの駆動装置において、位置検出部と前記停止検出部がモータに近接させずに設置することにより、モータ近接部が劣悪環境にある場合のモータ拘束異常に対する安全性向上の効果を発揮できる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、モータが圧縮機を駆動するものであり、高温・高圧といった劣悪環境化でもモータの拘束異常を検出することが可能となり、圧縮機に組み込まれたモータの異常昇温を未然回避する効果を発揮できる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、モータの回転運動をピストンの往復運動に変えるレシプロ方式のものであり、モータの異常昇温が伝わりにくい構成となる圧縮機でもモータの拘束異常を検出することが可能となり、圧縮機に組み込まれたモータの異常昇温を未然回避する効果を発揮できる。

請求項４に記載の発明は、請求項２、または、請求項３のいずれかに記載の発明において、圧縮機が冷蔵庫を運転するものであり、圧縮機モータの拘束異常状態を検出することが可能となり、冷蔵庫ユーザに対する感電を未然回避するといった効果は非常に重要である。

以下、本発明による冷蔵庫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この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における保護装置付きモータの駆動回路のブロック図である。

図１において、商用電源１は、日本の場合周波数５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ、電圧１００Ｖの交流電源である。国や地域によって周波数や電圧は異なるものである。

整流回路２は商用電源１の交流電圧を直流電圧に変換する。整流回路２はブリッジ接続された整流用ダイオード群２ａと平滑用の電解コンデンサ２ｂとからなり、図１に示すような全波整流回路の場合、商用電源１のＡＣ２００Ｖ入力から３００Ｖ程度の直流電圧を得ることができる。ここでは全波整流としたが、電解コンデンサ２ｂを直列接続された２つのコンデンサから構成し、その接続ポイントに整流ダイオード群２ａの入力部を短絡接続すれば倍電圧整流回路を構成することができる。さらには、上述短絡接続部に電圧調整回路（直流電圧可変式のチョッパ回路や倍電圧整流／全波整流の切替方式回路など）を挿入することで直流電圧を調整する事ができる。

インバータ３は、６個のトランジスタ群３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆを３相ブリッジ構成されている。また、各々のトランジスタには各トランジスタの逆方向に還流電流用のダイオードが入っていることが多いが本図では省略している。また、２相モータの場合は４個のトランジスタで２相ブリッジ構成される。なお、トランジスタはスイッチ素子の代表例であり、制御信号の入力により回路を接続／切断できる素子であれば、トライアックやサイリスタなど単方向・双方向を問わず様々なスイッチ素子がある。更には、リレーのような半導体を利用しないスイッチ素子も、応答速度があまり要求されないモータにはあてはまる場合がある。即ち、ここで具体例として３相ブリッジ接続された単方向半導体スイッチ素子を例示しているが、範囲を限定するものではない。

圧縮機モータ４は、永久磁石を有する回転子４ａと３相巻線を有した固定子４ｂとからなる。インバータ３により作られた３相交流電流が固定子４ｂの３相巻線に流れることにより、回転子４ａを回転させることができる。レシプロ式圧縮機の場合、回転子４ａの回転運動はクランクシャフト（図示せず）により、往復運動に変更され、ピストン（図示せず）がシリンダ（図示せず）内を往復運動することにより、冷媒を圧縮する圧縮機の駆動を行う。なお、スイッチ素子３ａ（３ｂ）と接続された３相巻線部分をＵ相巻線、スイッチ素子３ｃ（３ｄ）と接続された３相巻線部分をＶ相巻線、スイッチ素子３ｅ（３ｆ）と接続された３相巻線部分をＷ相巻線と呼ぶことにする。ここで具体例として３相モータを例示しているが、その相数を限定するものではない。

位置検出部５は、圧縮機モータ４を駆動するために必要な部分であり、ここで確定された回転子４ａの位置に応じて圧縮機モータ４を駆動する。一般的には、圧縮機モータ４近接にセンサを設置できる場合（便宜上『近接設置式』と呼ぶ事とする）とできない場合（便宜上『遠隔設置式』と呼ぶ事とする）の大きく２つに区分できる。近接設置式の場合は、ホール素子やＭＲ素子など磁界信号を電界（電圧）信号に変換するものが多く、センサ付き駆動方式ともいう。遠隔設置式の場合は、モータから発生する逆起電圧を検出し位置を推定する方式や自身が制御する電流と実際にモータに流れる電流とを比較しベクトル演算により位置を推定する方式が一般的であり、センサレス駆動方式ともいう。これ以外にも、ピストン往復運動により発生する振動信号から位置を推定する方式も遠隔設置式の一例として挙げることができる。この方式は、遠隔設置式の中では珍しくソフトウエアに依存しない方法として可能性が見出せる方式といえる。

停止検出部６は、圧縮機モータ４の拘束状態、即ち、停止状態を検出するために必要な部分であり、ここで確定された停止情報に応じて圧縮機モータ４駆動の禁止・許可が判断される。近接設置式の場合は、回転子４ａの回転磁界が停止することから容易に検出可能となる。遠隔設置式の場合でも、ソフトウエアにて判断する事で停止状態を検出することが可能となる。前述の振動信号から位置を推定する方式であれば、拘束状態（停止状態）では振動信号が発生しないため、遠隔設置式の中では比較的容易に停止状態を検出できる方法といえる。

信号生成部７は、位置検出部５が確定した位置信号に応じて、トランジスタ群３ａから３ｆのｏｎ／ｏｆｆを切り替えるための信号を生成するのに必要な部分である。

保護部８は、停止検出部６が確定した停止情報に応じて、圧縮機モータ４駆動の禁止・許可を切り替えるための信号を生成するのに必要な部分である。

アンドゲート９は、信号生成部７と保護部８から出力される信号を合成し、トランジスタ群３ａから３ｆのｏｎ／ｏｆｆを切り替えるための信号を生成するのに必要な部分である。言い換えると、通常時は保護部８から出力される信号が許可“１”になっているので、信号生成部７から出力される信号に応じてインバータ３を駆動する。異常時（圧縮機モータ４拘束状態のとき）は保護部８から出力される信号が禁止”０“になっているので、信号生成部７から出力される信号に関係なくインバータ３を停止する。即ち、アンドゲート９の特長を活かし、信号”０“が入力されたトランジスタ群（３ａから３ｆ）を強制的にｏｆｆさせることとなる。

また、位置検出部５と停止検出部６の両出力信号ともソフトウエアに依存しない場合は、異常時（圧縮機モータ４拘束状態のとき）はどちらかの出力が必ず信号”０”となるため、マイクロコンピュータの暴走を配慮することなく安全設計が可能となる。更には、比較器やフリップ・フロップ回路のような比較的簡素な論理回路のみで、位置検出部５と停止検出部６が構成されている場合、ハードウエアの故障モードを容易に抽出する事が可能となるので、極めて安全なシステム設計を実現できる事になる。

基準電位Ｇは本ブロック図中の電位の基準となる点で、整流ダイオード２ｄと電解コンデンサ２ｆの接続点における電位にあたる。商用電源１が供給する電圧がＡＣ１００Ｖの場合、この基準電位Ｇと電解コンデンサ２ｅ−整流ダイオード２ｃの接続点との間に２８０Ｖ程度の直流電圧を得ることができ、インバータ３に供給されることになる。

以上のように、本実施の形態においては位置検出部や停止検出部を遠隔設置することにより、モータ近接部が劣悪環境にある場合のモータ拘束異常に対する安全性向上の効果を発揮できる。

図１０に示すような従来の駆動装置では、位置検出部としてホールセンサ１５１ａ〜１５１ｃが用いられており、停止検出部として温度センサが用いられているため、圧縮機のようにモータに近接した位置にセンサを設置できない場合は拘束異常（停止状態）を検出できなかった。そこで、遠隔設置できるような位置検出部と停止検出部を設ける事で、モータにセンサを近接設置できない圧縮機においても拘束状態の検出が可能となり、不安全状態の未然回避といった効果をもたらす。

次に位置検出部や停止検出部のセンサを遠隔設置する必要性について、図１から図８を用いてより具体的に説明する。

図２は、本実施の形態１における圧縮機の内部機構概略図である。（ａ）に概略の機構図を示し、（ｂ）に固定子４ｂの電気的特性一例を記している。なお、図中の番号は、既に図１にて示されている場合、同一番号を付与している。

先ず、シリンダ、ピストン、各軸受等の摺動部の摩耗防止および冷却、ピストンとシリンダライナ間の密封、さび止めなどの役割を担う、圧縮機油の給油機構について説明する。シェル２１の底に圧縮機油２２が溜められており、給油溝２３を通ってシェル内の各部位に飛沫される。また、圧縮機モータ４の回転子４ａに固定されている摺動部２４の下端は圧縮機油２２に漬けられた状態になっている。よって、回転子４ａが回転すると、その遠心力を利用して摺動部２４の下端に入口を持つ給油溝２３に圧縮機油２２が吸い上げられ、給油溝２３を通って圧縮機内上層まで吹き上げられる事によって、各部位に圧縮機油２２が飛沫されることとなる。

つまり、センサを近接設置するためには、この圧縮機油２２が飛沫されても耐えうるような機密性が必要である。具体的には、ＪＩＳ Ｃ ０９２０の付属書で規定されている保護等級（ＩＰコード）が５６（第一特性数字［５］：＜防じん形＞じんあいの侵入を完全に防止することはできないが、器具の所定の動作及び安全性を阻害する量のじんあいの侵入がないこと／第二特性数字［６］＜暴噴流に対して保護されている＞あらゆる方向からの強力なジェット噴流の水が有害な影響を及ぼさないこと）以上が必要といえる。

更に、回転子４ａの位置検出をするためには、他の部品の設置スペースとの兼ね合いから、実質回転子４ａの上側に設置するのは困難であり、下側に設置せざるを得ない。つまり、圧縮機油２２に位置検出部５のセンサを漬ける必要があり、保護等級の第二特性数字は［８］（＜潜水状態での使用に対して保護されている＞関係者間で取り決めた数字７より厳しい条件下で外郭を継続的に水中に沈めたとき有害な影響を生じる量の水の侵入がないこと）である必要がある。

次に、モータの回転運動をピストンの往復運動に変換するカム機構と圧縮機構について説明する。固定子４ｂに電流を流し回転磁界を発生させて回転子４ａを回転させることで、連結されたクランク軸２５が偏心回転運動する。この偏心回転運動がコンロッド２６を介してピストン２７の往復運動に変換される。ピストン２７が往復運動すると、シリンダ２８に作動流体（冷媒）が吸い込まれた後、その容積を縮めていくことで圧縮し、高圧状態の冷媒を吐出する。最大冷凍能力を発揮する際には、吐出側の圧力は絶対圧で１ＭＰａ程度にまで上昇します。このとき、圧縮機モータ４は最高回転速度で運転しますから、各部位は非常に高速で動作することになり、機械損（発熱）もピークになります。

また、圧縮機モータ４の負荷トルクも最大となりますから、固定子４ｂに流す電流もピークとなり、銅損（発熱）もピークとなり、固定子巻線の温度は１００℃程度まで上昇します。

つまり、センサを近接設置するためには、高温・高圧の環境下にも耐えうるような耐環境性が必要である。

この様に、機密性と耐環境性の両立が必須であり、圧縮機内部に入れるとすれば、小型化も必須となる。すなわち、安価なセンサでは実現することが不可能であり、冷蔵庫などの民生機器に使用される圧縮機においては、非現実的であり、圧縮機モータ４の位置検出部５や停止検出部６のセンサの遠隔設置が不可欠といえる。

更に、圧縮機モータ４が拘束状態にある時、万一制御が暴走状態（拘束状態を検出できず固定子４ｂの巻線に電流を流し続ける状態）の場合、圧縮機モータ４は温度上昇するが、圧縮機油２２が飛沫されないため冷却されない状態となる。一方、シェル２１に固定されたスプリング２９によって圧縮機モータ４の固定子４ｂが支えられているため、宙に浮いた状態となりシェル２１への伝達による放熱も期待できない状態となる。

これは言い換えると、固定子４ｂの温度上昇をシェル２１の外殻温度からは検出できないと言うことになる。つまり、停止検出部６として、レシプロ方式圧縮機の場合、温度センサや温度ヒューズのような感熱デバイスを圧縮機外殻に設置しても停止状態（拘束異常状態）を検出するのは困難といえる。

また、図２（ｂ）固定子４ｂの電気的特性一例からわかるように、固定子４ｂ巻線の巻込み量を増やしてインダクタンスを高くして鉄損を抑制しつつ磁束密度を上昇させ、逆突極比を上げてリラクタンストルクを増強して、トルク定数をＵＰさせることで、通常運転領域（低負荷運転領域）の高効率化が図れる。

しかし、これは高負荷運転領域（高速運転領域）における弱め界磁量ＵＰにもつながり、最大冷凍能力を発揮する運転領域において、より非効率な運転となり、電流量を増加させ、温度上昇度合いを更に悪化する傾向にある。一方、圧縮機モータ４の拘束状態が発生した時の電流は、インダクタンスが大きいため電流が上がり難くなる。

これは言い換えると、正常高負荷運転領域の電流値と拘束異常時の電流値とが、大きく違わないと言うことになる。つまり、停止検出部６として、固定子４ｂ巻線の巻込み量をＵＰさせた高効率モータ搭載の圧縮機の場合、電流センサや電流ヒューズのような検出部を固定子４ｂ巻線に直列に設置しても停止状態（拘束異常状態）を通常高負荷状態と区別して検出するのは困難といえる。

図３は、本発明の実施の形態１におけるレシプロ方式圧縮機カム機構部分の機構概略図である。なお、図中の番号は、既に図２にて示されている場合、同一番号を付与している。

図２で説明した通り、圧縮機モータ４が回転することで、クランク軸２５を通してピストン２７が往復し、作動流体（冷媒）の吸入・圧縮を繰り返す。つまり、圧縮機モータ４が１回転する毎に吸入と圧縮という仕事量の違う仕事を行うため、ピストン２７の変位・速度・加速度が変化し、往復軸（図中両矢印）方向に振動が発生する。また、回転子４ｂも位相・角速度・角加速度が変化し、回転軸（図中曲線矢印）方向に振動が発生する。

ゆえに、圧縮機外殻には、ピストン２７の往復運動方向と圧縮機モータ４の回転運動方向の振動成分が合成されて、現われることになる。即ち、図中のＸ軸方向・Ｙ軸方向の成分に分解されて、振動が現われるといえる。

図４は、本発明の実施の形態１におけるレシプロ方式圧縮機に対する２方向振動成分の特性図の一例である。この図は図３におけるＸ・Ｙ軸両方向振動成分と６極回転子を有する圧縮機モータ４の固定子４ｂ巻線に流れる電流の時間的関係を示している。

この様に、圧縮機モータ４の振動変位はＸ軸方向・Ｙ軸方向振動が機会角３６０°を通して変動する。また、ピストン２７の往復運動と圧縮機モータ４の回転運動により発生した振動が合成された後圧縮機外殻のＸ・Ｙ軸方向に分解されるため、両方向成分間には位相差θが存在する。この特性曲線から解る様に、ピストン２７の往復運動が主に支配しているＸ軸方向振動から位相差θだけ遅れてＹ軸方向振動が発生しているといえる。

ここで、振動のメカニズムについて考えてみる。ピストン２７は圧縮工程（下死点→上死点）と吸入工程（上死点→下死点）とに分けることができる。圧縮工程では作動流体（冷媒）を押しのけるため大きなトルクが必要になる、逆に吸入工程では低圧流体を吸い込む行程なので比較的小さなトルクで充分となる。このため、圧縮工程から吸入工程に切り替わる上死点で反力（圧縮反力）を受けることになり大きな振動が発生し易いポイントとなる。この振動の特性より、ピストン位置が概ね推定できるといえる。

また、振動の周期は、Ｘ・Ｙ成分とも１回転周期と同じとなるので、１２００ｒｐｍにて運転中の場合の周期は５０ｍｓｅｃとなる。一方、固定子４ｂ巻線電流の周期は、６極磁石を利用した回転子４ａの場合、振動の３倍の周波数となることから機械角（３６０／３）＝１２０°が電流の１周期に相当する。３相モータ制御においてはこの１周期の間に、トランジスタ群３ａ〜３ｆのｏｎするパタンが６パタン（３ａ−３ｄ／３ａ−３ｆ／３ｃ−３ｆ／３ｃ−３ｂ／３ｅ−３ｂ／３ｅ−３ｄの６パタン）に分かれている。即ち、機械角（３６０／３／６）＝２０°毎にトランジスタのｏｎパタンを切り替える（この制御は、電流の方向を転ずることから『転流制御』と呼ばれる。）必要がある。つまり、概ね推定した位置をもとに１８回転流（転流は１８区分）することで、圧縮機モータ４の駆動が可能となる。

次に、振動から位置推定する場合の精度向上手段について図４、図５を用いて説明する。

図５は、本発明の実施の形態１における遠隔設置式振動センサを備えた位置検出部の構成を示したブロック図と特性図である。（ａ）は圧縮機の振動から回転子４ａの位置を検出する位置検出部５のブロック図を示している。（ｂ）（ｃ）は位置検出部５の出力信号について現した特性表である。なお、図中の番号は、既に図１にて示されている場合、同一番号を付与している。

位置検出部５に図５（ａ）の様な圧電素子を有する振動センサ５１（Ｘ、Ｙ軸方向をそれぞれ５１ｘ、５１ｙとする）と比較器５２（Ｘ、Ｙ軸方向をそれぞれ５２ｘ、５２ｙとする）を用いた場合、図４からも解る様に振動のゼロクロス点毎（機械角１８０°毎）に位置検出部５（Ｘ、Ｙ軸方向をそれぞれ５ｘ、５ｙとする）の出力は反転することになる。また、Ｘ・Ｙ軸方向振動の位相差が６０°の場合、各方向の位置検出部５の出力の反転時機も６０°ずれて変化する事になる。なお、ここでＸ・Ｙ軸は空間的に垂直関係にあり、振動位相差としては６０°としたが、一例を挙げたに過ぎず要素を限定するものではない。

この様な特性の振動を有する圧縮機の場合、機械角３６０°中、位置検出部５の出力の組合せから４つのモードに区分できる。即ち図４（ｃ）に示すように、機械角３３０〜３６０°と０〜９０°の１２０°区間モード（３）、機械角９０〜１５０°の６０°区間モード（１）、機械角１５０〜２７０°の１２０°区間モード（０）、２７０〜３３０°の６０°区間モード（１）の４つに区分できる。

また、前述の通り、機械角２０°毎にトランジスタのｏｎパタンを切り替える転流制御を実施する必要があるため、１２０°区間モード０と３の時にはその区間の６分の１毎に、６０°区間モード１と２のときはその区間の３分の１毎にそれぞれ転流すればよいと言うことになる。

この様に、振動の特性と位相差θとを利用すれば、ある程度ピストン２７の位置が推定できる。今簡便のために、振動方向を２方向として解説したが、検出する振動方向を増やせば増やすほど、位置推定精度を向上できる。例えば、Ｙ軸方向から更に６０°位相がずれるポイントＹ‘方向に位置検出部５を増設すれば、（ｃ）のように機械角６０°毎にモードが６区分（０、１、３、４、６、７の６区分）され、位置検出精度は更に向上できる。もし、機械角２０°ずつ位相差を持つように９つの圧電素子５１を配置できた場合、機械角２０°毎にモードが１８区分できることになり、転流区分数と同じだけ区分できることになる。この９つの圧電素子から構成された位置検出部５の９つの出力信号をＪＫフリップ・フロップ回路と時定数遅れ発生用ＣＲ回路で構成された信号生成部７に接続すれば、位置検出部をソフトウエアに依存せず、構成する事ができるが、詳細な説明は割愛する。

但し、図１の説明で述べたように、位置検出部５において遠隔設置式センサの場合、モータから発生する逆起電圧を検出し位置を推定する方式や自身が制御する電流と実際にモータに流れる電流とを比較しベクトル演算により位置を推定する方式が一般的であり、位置検出以外の用途で振動センサ５１の実装が必要なシステムにおいては、位置検出部５の用途に振動センサ５１を設けることが有効といえる。

図６は、本発明の実施の形態１における遠隔設置式振動センサを備えた停止検出部の構成を示したブロック図である。（ａ）に停止検出部とその周辺の構成図を記載し、（ｂ）に出力電圧の小さな圧電素子のために増幅回路追加した停止検出部６の一例を記載した。

停止検出部６に、圧電素子を有する振動センサ６１と第１段比較器６２を用いた場合、図４からも解る様に振動のゼロクロス点毎（機械角１８０°毎）に停止検出部６の出力は反転することになる。

また、保護部８をＣＲ時定数遅延回路６３と第２段比較器で構成することで保護部の出力信号は、運転中は常にＨ“１”、停止中は停止してからＣＲ時定数遅延回路６３で設定された時間の遅延後Ｌ“０”となる。保護部８の出力信号が“０”になると、アンドゲート９に“０”が入力されることになり、信号生成部７の出力信号に依存せずアンドゲート９の出力を“０”にすることができる。言い換えれば、ソフトウエアに依存することなくアンドゲート９の出力を全て“０”にすることが可能となり、トランジスタ群３ａ〜３ｆを全てｏｆｆすることができる。つまり、ソフトウエアに依存したモータ拘束異常検出システムに比べて、極めて信頼性の高い安全装置といえる。

図６（ｂ）は、圧電素子６１の出力電圧増幅回路を備えた停止検出部６の構成図である。

圧電素子６１の出力電圧が小さい場合は、図のように増幅回路にて出力電圧を増幅した後に、比較器６２に入力する必要がある。

次に、保護部の出力信号について図６、図７を用いて具体的に説明する。

図７は、本発明の実施の形態１におけるレシプロ方式圧縮機に対するＸ軸方向振動成分の特性図の一例である。

図から解る様に、機械角２７０°〜９０°の１８０°期間に圧電素子６１がゼロクロス電圧以上の電圧を出力する。そのため、その間の停止検出部６の出力はＨとなる。逆に、９０°〜２７０°の１８０°期間にはゼロクロス電圧以下の電圧が第１比較器６２に入力されるため、停止検出部６の出力はＬとなる。

停止検出部６から出力される信号は、保護部８のＣＲ時定数遅延回路６３を通して第２比較器６４に入力される。停止検出部６の出力がＨ→Ｌに変化する時（機械角９０°）、ＣＲ時定数遅延回路６３のコンデンサに満充電された電荷がゆっくりと放電され、次に停止検出部６の出力がＬ→Ｈに変化する時（２７０°）まで基準電位より大きな電圧が保持される。その結果、停止検出部６の出力信号がＬの間も常に第２比較器６４（保護部８）の出力信号はＨ“１”に保持され続ける。

ここで保護部８の出力信号が“１”に保持され続ける時間は、ＣＲ時定数遅延回路６３のＣとＲの定数設定と第２比較器６４に設定されている基準電位の設定に依存する。例えば、圧縮機モータ４の最低回転速度が１２００ｒｐｍの時、停止検出部６がＬを出力する時間（機械角１８０°）は２５ｍｓｅｃであるから、基準電位を１．０Ｖに設定した場合、ＣＲ時定数遅延回路６３の時定数を２倍の５０ｍｓｅｃに設定すれば、第２比較器６４（保護部８）の出力信号が常に“１”に保持できる。即ち、１２００ｒｐｍ以上の回転速度で圧縮機モータ４が運転していれば、保護部８の出力信号は“１”に保持され、アンドゲート９に“１”が入力されることになり、信号生成部７の出力信号に応じてインバータ３のトランジスタ群３ａ〜３ｆがｏｎされる。逆に、拘束異常時（停止時）のように時定数５０ｍｓ以上経過しても振動変位が発生しない場合は、停止検出部６も保護部８もともに出力信号“０”を出力することになり、信号生成部７の出力信号に依らずインバータ３のトランジスタ群３ａ〜３ｆをｏｆｆすることが可能となる。つまり、ソフトウエアに全く依存せず、圧縮機モータ４の拘束異常（停止）状態を検出するとともにインバータ３に入力される駆動信号も全てｏｆｆにすることが可能となる。つまり、ソフトウエアやマイクロコンピュータの暴走状態を配慮する必要が無く、ソフトウエアに依存したモータ拘束異常検出システムに比べて、極めて信頼性の高い安全装置といえる。

図８は、本発明の実施の形態１における冷蔵庫の冷却システム構成を示した概略図である。

冷却システムの概略について先ず触れることにする。気体の冷媒を圧縮機で圧縮し、凝縮器で冷却して圧力が高い液体を作り、膨張弁で圧力を下げ、蒸発器によって低温で気化させ、気化熱で熱を奪い取る。この蒸発器８３の気化熱を利用して庫内の温度を冷やすが、庫内と戸外の温度差は３０℃以上もあり、冷蔵庫の壁面は結露し易い条件となっている。そこで、圧縮機を吐出した高温の冷媒を利用して、壁面の結露を防止している。具体的には、高温冷媒が通る配管（アウタコンデンサ）８２を冷蔵庫の外殻８４の内側に近接配置させることで、冷蔵庫外殻８４の表面温度を上昇させ結露を防止している。

このため、圧縮機シェル２１と冷蔵庫外殻８４とは金属配管８２によって電気的に結合されている。一方、圧縮機モータ４の固定子４ｂが固定されているステータコア８１はスプリング２９や冷凍機油２２によって圧縮機シェル２１と電気的に結合されている。つまり、固定子４ｂの巻線と冷蔵庫外殻８４は、固定子に使用されている絶縁紙のみで絶縁されている。通常、固定子４ｂの巻線と圧縮機シェル２１は１０ＭΩ以上の電気抵抗が保持されている。しかし、絶縁紙が破壊されると、ステータコア８１と固定子４ｂの巻線との間は数百Ω程度の抵抗しか示さないことがある。

圧縮機モータ４が拘束状態に陥った事を検出できず、巻線に保護レベル以下の電流が流され続けると、巻線（絶縁種）定格温度を超えて連続運転し続ける危険性があり、絶縁破壊を誘発する可能性もある。

冷蔵庫は、通常アース（接地）が必要な製品であるが、過失によりアースされていない冷蔵庫で、絶縁破壊した場合には使用者が感電してしまうという、極めて危険な現象招いてしまうかもしれない。

つまり、冷蔵庫において、圧縮機モータ４の拘束異常状態の検出システムを、シンプルな回路システムによって構成すること、もっといえばソフトウエアの依存度合いを軽減したシステムによって構成することは、安全保護システムの信頼性面において極めて重要なことといえる。

図１０に示すような従来の駆動装置では、ソフトウエアに依存しない保護システムではあるものの、停止検出部として温度センサが用いられているため、圧縮機のようにモータに近接した位置にセンサを設置できない場合は拘束異常（停止状態）を検出できなかった。そこで、圧縮機運転振動の検出などにより停止検出部を遠隔設置可能にし、更に、停止検出部を簡素なハードウエアのみで構成することにより、モータに検出部を近接設置できない圧縮機においても拘束状態の検出が可能になり、更には、ソフトウエアの暴走などの配慮が不要なより信頼性の高い安全保護システムを実現できるといった効果をもたらす。また、ソフトウエアの暴走は非常に稀ではあるものの、モータ拘束発生と重複した場合に、固定子巻線の絶縁破壊を誘発する可能性もあり、延いては冷蔵庫使用者の感電事故に繋がる可能性を秘めている。この様な、重大不安全事故を未然に防ぐ事は極めて重要であり、本実施の形態はそれを実現するシステムそのものである。

（実施の形態２）
図９は、本発明の実施の形態２における独立した２つ以上の保護装置を有するモータ駆動回路のブロック図である。なお、図９中の構成部品において図１と同じものについては、既に説明しているので割愛する。

図９において、停止検出部６と保護部８は図３におけるＸ・Ｙ軸方向にそれぞれ独立した回路（６ｘと８ｘ・６ｙと８ｙ）を有する。信号生成部７はソフトウエアに依存しており、マイクロコンピュータ９１に処理される制御ブロックである。なお、ここでＸ・Ｙ軸は空間的に垂直関係としたが、一例を挙げたに過ぎず、保護システムを構成するための軸数や空間的位置関係を限定するものではない。

また、アンドゲート９は図１や図６とは異なり、各アンド素子の入力数を３としている。これは、信号生成部７はソフトウエアに依存する場合でも、圧縮機モータ４の拘束異常状態検出からアンドゲート９への出力禁止指令信号“０”送信までの回路をハードウエアのみで構成することによって、保護システム全体をソフトウエアに依存しない簡素な構成で実現するためである。ソフトウエアに依存しない保護システムの構成方法は、図６で示した停止検出部６と保護部８の構成をそのまま流用することで、Ｘ・Ｙ軸方向にそれぞれ独立した構成（６ｘと８ｘ・６ｙと８ｙ）を容易に実現できるのでここでは説明を割愛する。

冷蔵庫に代表される民生製品において、効率向上は不可欠な事であるから、信号生成部７をソフトウエアに依存せずに構成することは不可能な場合がある。この様な場合、独立した停止検出部６と保護部８をそれぞれ２組以上ハードウエアのみで構成し、各組の出力信号をアンドゲート９の全てのアンド素子に入力することで、拘束異常時には全てのトランジスタ群３ａ〜３ｆを停止させることを可能としたシステムは、非常に有用なシステムといえる。

図１０に示すような従来の駆動装置では、ソフトウエアに依存しない保護システムではあるものの、停止検出部として温度センサが用いられているため、圧縮機のようにモータに近接した位置にセンサを設置できない場合は拘束異常（停止状態）を検出できなかった。そこで、圧縮機運転振動の検出などにより停止検出部を遠隔設置可能にし、更に、停止検出部を簡素なハードウエアのみで独立して複数個構成することにより、モータに検出部を近接設置できない圧縮機においても拘束状態の検出が可能になり、更には、ソフトウエアの暴走などの配慮が不要で、かつ、１つの構成経路が静電気などの強大な外部エネルギを受けて破壊した場合でも、その他の構成経路により確実に安全を担保する、極めて信頼性の高い安全保護システムを実現できるといった効果をもたらす。また、ソフトウエアの暴走や外部エネルギによるハードウエア破壊は非常に稀ではあるものの、モータ拘束発生と重複した場合に、固定子巻線の絶縁破壊を誘発する可能性もあり、延いては冷蔵庫使用者の感電事故に繋がる可能性を秘めている。この様な、重大不安全事故を未然に防ぐ事は極めて重要であり、本実施の形態はそれを実現するシステムそのものである。

以上の様に本発明にかかるモータの保護に関する制御方法及びその装置は、簡素な回路構成を用いたモータ拘束異常状態検出精度の向上、使用者を感電などから守る安全性の向上などの効果を発揮することが可能となるので、家庭用・産業用を問わずモータを搭載したさまざまな用途にも適用できる。

３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆ トランジスタ群
４ 圧縮機モータ
４ａ 回転子
４ｂ 固定子
５ 位置検出部
６ 停止検出部
７ 信号生成部
８ 保護部
９ アンドゲート

Claims (4)

1. 複数のトランジスタを用いたモータの駆動装置において、前記モータ回転子の回転位置を検出する位置検出部と、前記回転子の運転／停止状態を検出する停止検出部と、前記位置検出部の出力信号をもとにトランジスタの駆動信号を生成する信号生成部と、前記停止検出部の出力信号をもとに運転継続の是非を判断する保護部と、前記信号生成部と前記保護部の出力を論理積してトランジスタに出力するアンドゲートとを有しており、前記位置検出部と前記停止検出部がモータに近接設置されていないことを特徴とするモータの制御装置。
2. モータが圧縮機を駆動するものである請求項１に記載のモータの駆動装置。
3. 圧縮機が、モータの回転運動をピストンの往復運動に変えるレシプロ方式である請求項２に記載のモータの駆動装置。
4. 請求項２または請求項３のいずれか１項に記載の前記圧縮機を搭載した冷蔵庫。

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