JP2012019563A - モータの駆動装置およびその冷蔵庫 - Google Patents
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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
【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。
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。
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
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)
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2010153591A JP2012019563A (ja) | 2010-07-06 | 2010-07-06 | モータの駆動装置およびその冷蔵庫 |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2010153591A JP2012019563A (ja) | 2010-07-06 | 2010-07-06 | モータの駆動装置およびその冷蔵庫 |
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Family
ID=45604393
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JP2010153591A Pending JP2012019563A (ja) | 2010-07-06 | 2010-07-06 | モータの駆動装置およびその冷蔵庫 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2012019563A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2022065506A1 (ja) * | 2020-09-28 | 2022-03-31 | 三菱電機株式会社 | インバータ圧縮機の機器管理システム |
-
2010
- 2010-07-06 JP JP2010153591A patent/JP2012019563A/ja active Pending
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WO2022065506A1 (ja) * | 2020-09-28 | 2022-03-31 | 三菱電機株式会社 | インバータ圧縮機の機器管理システム |
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