JP2012092749A - 電動圧縮機における電動機制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動圧縮機におけるインバータ損失を低減し、且つ漏電の可能性を低減する。
【解決手段】インバータ２７は、モータ駆動回路２８と、モータ駆動回路２８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。起動指令が入力されると、主制御コンピュータＣ１は、三相変調制御を行なうと共に、三相変調制御の遂行開始時点から以後のモータハウジング１８内から排出される液冷媒排出量Ｑｘを算出し、算出された液冷媒排出量Ｑｘが予め設定された基準量Ｑｏに満たない場合、主制御コンピュータＣ１は、三相変調制御を継続する。算出された液冷媒排出量Ｑｘが予め設定された基準量Ｑｏ以上である場合、主制御コンピュータＣ１は、三相変調制御から二相変調制御に切り換える。
【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制御装置に関する。

この種の電動圧縮機では、電動機の冷却のために吸入冷媒の存在領域に電動機のコイルが配設される（例えば特許文献１参照）。電動機が長時間にわたって停止状態にあると、冷媒がコイルの配設領域内で液化し、溜まった液冷媒が電動機のコイルに接触する。そのため、電動機を起動したときには、液冷媒に接触するコイルから漏電を生じるおそれがある。特に、コイルに印加される電圧の変動が大きいと、漏電が起こりやすい。

電動機の駆動を制御するためにインバータが用いられるが、特許文献１では、インバータに印加される電圧を変更するための変圧回路が用いられており、変圧回路は、電圧制御部の変圧制御を受けるようになっている。電圧制御部は、ハウジング内に液冷媒が溜まっているときには低電圧をインバータに印加するように変圧回路を制御し、ハウジング内に液冷媒が溜まっていないと判断したときには低電圧から高電圧へ切り換える制御を行なう。このような電圧制御を行なうことにより液冷媒がコイルの配設領域内に溜まっているときの電圧が低電圧に制御され、漏電発生が防止される。

特開２００９−２５０１２３号公報

インバータの制御には三相変調制御と二相変調制御とがある。二相変調制御では、三相変調制御に比べてインバータ損失（インバータのスイッチング損失）を低減することができるという利点がある。

しかし、二相変調制御は、三相変調制御に対し、モータの中性点の電圧を変動させることで実現させている。そのため、ハウジング内に液冷媒が溜まってハウジングとコイルとの間の浮遊容量が低下したときの漏電のおそれが大きい。

本発明は、電動圧縮機におけるインバータ損失を低減し、且つ漏電の可能性を低減することを目的とする。

本発明は、電動機と圧縮動作体とを備え、前記電動機によって駆動される回転軸の回転に基づく前記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り、前記電動機のコイルが前記電動圧縮機内の冷媒存在領域にある電動圧縮機における電動機制御装置を対象とし、請求項１の発明では、前記冷媒存在領域内の液冷媒の有無を判定する判定手段と、前記判定手段の判定結果に基づいて、前記電動機の駆動を三相変調制御又は二相変調制御にて行なう変調制御手段とを備えている。

液冷媒の有無に応じて三相変調制御と二相変調制御とを切り換えることができ、インバータ損失を低減し、且つ漏電の可能性を低減することができる。
好適な例では、前記変調制御手段は、前記電動機の起動時点から前記判定手段によって液冷媒の有無を判定するまでの間は、前記電動機の駆動を三相変調制御にて行なう。

電動機の起動時に三相変調制御を行なうため、起動前に冷媒存在領域内に液冷媒が溜まっていても、漏電の可能性を低減することができる。
好適な例では、前記判定手段は、前記電動機の起動時に液冷媒の有無を判定する。

起動時に液冷媒が無い場合には、起動時から二相変調制御を行なって電動圧縮機におけるインバータ損失を起動時から低減することができる。
好適な例では、前記判定手段は、前記電動機の駆動中に液冷媒の有無を判定する。

電動機の駆動中における液冷媒有無の判定の実行は、電動機への通電中における液冷媒の存在の有無を確実に把握する上で好ましい。
好適な例では、前記変調制御手段は、前記判定手段によって液冷媒無しと判定された場合は、前記電動機の駆動を二相変調制御にて行ない、前記判定手段によって液冷媒無しと判定されなかった場合は、前記電動機の駆動を三相変調制御にて行なう。

液冷媒無しと判定されなかった（液冷媒有りの判定）ときには、中性点の電圧変動が小さい三相変調制御が行なわれ、液冷媒有りのときの漏電が回避される。液冷媒無しの判定のときには二相変調制御が行なわれてインバータ損失が低減される。

好適な例では、前記判定手段は、前記電動圧縮機の吐出容量と回転数とに基づいて液冷媒排出量を推定し、前記液冷媒排出量が所定値に達した場合に、液冷媒無しと判定する。
吐出容量と回転数とに基づく液冷媒排出完了の判定精度は高く、三相変調制御の期間を可及的に短くすることができる。

好適な例では、前記判定手段は、前記電動機の起動時点からの経過時間を計測し、前記経過時間が所定値に達した場合に、液冷媒無しと判定する。
所定値（所定時間）の適正設定により液冷媒無しの状態で三相変調制御から二相変調制御へ切り換えることができる。

好適な例では、前記判定手段は、前記電動機の停止時間を計測し、前記停止時間に基づいて、前記所定値を設定する。
停止時間によって液冷媒の溜まる量が変化するため、停止時間を計測することによって液冷媒の溜まる量を推定することができる。計測した停止時間に基づいて所定値（所定時間）を設定することにより、三相変調制御から二相変調制御への切り換えを適切なタイミングで行なうことができる。

本発明は、電動圧縮機におけるインバータ損失を低減し、且つ漏電の可能性を低減することができるという優れた効果を奏する。

第１の実施形態を示す電動圧縮機の全体側断面図。 （ａ）は、インバータを示す回路図。（ｂ）は、三相変調制御を説明するためのグラフ。（ｃ）は、二相変調制御を説明するためのグラフ。 相変調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。 第３の実施形態を示すフローチャート。

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３に基づいて説明する。
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。吸入室１８１は、電動圧縮機１０内の冷媒存在領域である。

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の周面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。電動機Ｍのコイル２５２は、電動圧縮機１０内の冷媒存在領域（吸入室１８１）にある。

モータハウジング１８の外周面にはインバータハウジング２６が組み付けられており、インバータハウジング２６内にはインバータ２７が設けられている。コイル２５２への通電は、インバータ２７を介して行われる。

図２（ａ）に示すように、インバータ２７は、モータ駆動回路２８と、モータ駆動回路２８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２８は、半導体スイッチング素子である複数のトランジスタ２９Ａ１，２９Ａ２，２９Ａ３，２９Ｂ１，２９Ｂ２，２９Ｂ３と、電流平滑化用のコンデンサ３０とを備えている。トランジスタ２９Ａ１，２９Ａ２，２９Ａ３，２９Ｂ１，２９Ｂ２，２９Ｂ３にはダイオード３１が接続されている。ダイオード３１は、電動機Ｍで発生する逆起電力を直流電源３２に還流させるためのものである。

トランジスタ２９Ａ１，２９Ａ２，２９Ａ３，２９Ｂ１，２９Ｂ２，２９Ｂ３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２９Ａ１，２９Ａ２，２９Ａ３のエミッタ側は、直流電源３２に接続されており、トランジスタ２９Ａ１，２９Ａ２，２９Ａ３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２９Ｂ１，２９Ｂ２，２９Ｂ３のコレクタ側は、直流電源３２に接続されており、トランジスタ２９Ｂ１，２９Ｂ２，２９Ｂ３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２９Ａ１，２９Ａ２，２９Ａ３，２９Ｂ１，２９Ｂ２，２９Ｂ３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２（ｂ）のグラフは、三相変調制御の一例を示し、図２（ｃ）のグラフは、二相変調制御の一例を示す。主制御コンピュータＣ１は、図２（ｂ），（ｃ）にグラフで示す相変調制御を行なう。

図２（ｂ）のグラフにおける波形Ｕ３は、三相変調制御における入力電圧に対するＵ相の出力電圧の割合を表す。波形Ｖ３は、三相変調制御における入力電圧に対するＶ相の出力電圧の割合を表し、波形Ｗ３は、三相変調制御における入力電圧に対するＷ相の出力電圧の割合を表す。波形Ｎ３は、三相変調制御における入力電圧に対する中性点の出力電圧の割合を表す。

図２（ｃ）のグラフにおける波形Ｕ２は、二相変調制御における入力電圧に対するＵ相の出力電圧の割合を表す。波形Ｖ２は、二相変調制御における入力電圧に対するＶ相の出力電圧の割合を表し、波形Ｗ２は、二相変調制御における入力電圧に対するＷ相の出力電圧の割合を表す。波形Ｎ２は、二相変調制御における入力電圧に対する中性点の出力電圧の割合を表す。

三相変調制御では、全てのトランジスタ２９Ａ１，２９Ａ２，２９Ａ３，２９Ｂ１，２９Ｂ２，２９Ｂ３のスイッチング動作がロータ２４の３６０°常時行なわれる。二相変調制御では、トランジスタ２９Ａ１，２９Ａ２，２９Ａ３，２９Ｂ１，２９Ｂ２，２９Ｂ３のうちのいずれかのスイッチング動作がロータ２４の６０°回転毎に停止される。即ち、三相のうちのいずれか一相を順次停止させると同時に、他の二相のみスイッチング動作を行なう。よって、二相変調制御は、三相変調制御に比べて、インバータ損失が少ない。又、図２（ｂ），（ｃ）のグラフからわかるように、二相変調制御時の中性点の電圧変動は、三相変調制御時の中性点の電圧変動よりも大きい。

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Θｏと、室温検出器３４によって検出された検出室温Θｘとの差（Θｏ−Θｘ）の情報に応じた指定回転数Ｎｘを主制御コンピュータＣ１に指定する。この指定回転数Ｎｘは、検出室温Θｘを目標室温Θｏに収束させるように設定された回転数である。

図３は、電動機Ｍのコイル２５２に対する相変調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３のフローチャートで示す相変調制御を遂行する。以下、主制御コンピュータＣ１による相変調制御を説明する。

主制御コンピュータＣ１は、空調装置作動スイッチ３３のＯＮに伴う起動指令の入力に待機している（ステップＳ１）。起動指令が入力されると（ステップＳ１においてＹＥＳ）、主制御コンピュータＣ１は、図２（ｂ）のグラフで示す三相変調制御を行なう（ステップＳ２）。主制御コンピュータＣ１は、三相変調制御の遂行開始時点（電動機Ｍの起動時点）から以後（電動機Ｍの起動時点以後）のモータハウジング１８内の吸入室１８１から排出される液冷媒の排出量、つまり液冷媒排出量Ｑｘを算出（推定）する（ステップＳ３）。液冷媒排出量Ｑｘの算出（推定）は、指定回転数Ｎｘを変数とし、且つ吐出容量を定数とする所定の計算式に基づいて算出される。指定回転数Ｎｘは、電動圧縮機１０の回転数である。

主制御コンピュータＣ１は、算出された液冷媒排出量Ｑｘと、所定値である予め設定された基準量Ｑｏとの大小比較を判断する（ステップＳ４）。算出された液冷媒排出量Ｑｘが予め設定された基準量Ｑｏに満たない場合（ステップＳ４においてＮＯであって、液冷媒有りの判定）、主制御コンピュータＣ１は、三相変調制御を継続する。三相変調制御時の中性点の電圧変動が小さいため、液冷媒がモータハウジング１８内の吸入室１８１に溜まっていても、漏電の可能性が低減する。

算出された液冷媒排出量Ｑｘが予め設定された基準量Ｑｏ以上である場合（ステップＳ４においてＹＥＳであって、液冷媒無しの判定）、主制御コンピュータＣ１は、三相変調制御から図２（ｃ）に示す二相変調制御に切り換える（ステップＳ５）。基準量Ｑｏは、モータハウジング１８内の吸入室１８１に溜まっている液冷媒の最大量以上の値に設定されている。つまり、基準量Ｑｏは、算出された液冷媒排出量Ｑｘが基準量Ｑｏに達しているときには吸入室１８１内の液冷媒無しと見なし得る量である。

主制御コンピュータＣ１は、冷媒存在領域内の液冷媒の有無を判定する判定手段である。インバータ２７は、液冷媒無しと判定されなかった（液冷媒有りと判定された）場合には、電動機Ｍの駆動を三相変調制御にて行ない、液冷媒無しと判定された場合には、電動機Ｍの駆動を二相変調制御にて行なう変調制御手段である。

第１の実施形態では以下の効果が得られる。
（１）液冷媒有りの判定のときには三相変調制御が行なわれて中性点の電圧変動が小さく、吸入室１８１内に液冷媒が有るときの漏電が回避される。液冷媒無しの判定のときには二相変調制御が行なわれてインバータ２７の損失が低減される。

（２）電動機Ｍの起動時に三相変調制御が行なわれるため、起動前に冷媒存在領域内に液冷媒が溜まっていても、漏電の可能性が低減する。
（３）電動機Ｍの駆動中において液冷媒有りの状態から液冷媒無しの状態への移行の有無の判定が行なわれる（ステップＳ４）。液冷媒有りの状態から液冷媒無しの状態への移行有りの判定が行なわれた場合には、三相変調制御が二相変調制御へ切り換えられる。電動機Ｍの駆動中における液冷媒有無の判定の実行は、電動機Ｍへの通電中における液冷媒の存在の有無を確実に把握する上で好ましい。

（４）本実施形態では、吐出容量が一定であるが、回転数（指定回転数Ｎｘ）が変動する。回転数が大きくなるほど単位時間当たりの液冷媒の排出量が多くなる。吸入室１８１からの液冷媒の単位時間当たりの排出量は、吐出容量と回転数とに基づいて、高い精度で推測できる。従って、液冷媒排出完了の判定精度は高く、三相変調制御の期間を可及的に短くして二相変調制御に切り換えることができる。これは、インバータ２７の損失の低減に寄与する。

次に、図４のフローチャートで示す第２の実施形態を説明する。装置構成は、第１の実施形態と同じである。図４のフローチャートにおいて第１の実施形態におけるフローチャートと同じ制御ステップには同じ符合を付し、その詳細説明は省略する。

ステップＳ２に移行後、主制御コンピュータＣ１は、電動機Ｍの起動時点からの経過時間Ｔｘを計測し、経過時間Ｔｘと所定値である予め設定された所定時間Ｔｏとの大小比較を行なう（ステップＳ６）。経過時間Ｔｘが所定時間Ｔｏに満たない場合（ステップＳ６においてＮＯであって、液冷媒有りの判定）、主制御コンピュータＣ１は、三相変調制御を継続する。経過時間Ｔｘが所定時間Ｔｏ以上である場合（ステップＳ６においてＹＥＳであって、液冷媒無しの判定）、主制御コンピュータＣ１は、三相変調制御から二相変調制御に切り換える（ステップＳ５）。所定時間Ｔｏは、経過時間Ｔｘが所定時間Ｔｏに達しているときには吸入室１８１内の液冷媒無しと見なし得る時間（例えば３秒）である。

第２の実施形態では第１の実施形態における（１）〜（３）項と同様の効果が得られる。
次に、図５のフローチャートで示す第３の実施形態を説明する。装置構成は、第１の実施形態と同じである。図５のフローチャートにおいて第１の実施形態におけるフローチャートと同じ制御ステップには同じ符合を付し、その詳細説明は省略する。

起動指令が入力されると（ステップＳ１においてＹＥＳ）、主制御コンピュータＣ１は、電動機Ｍが停止していた時間Ｄｘを計測する（ステップＳ７）。主制御コンピュータＣ１は、計測された停止時間Ｄｘと、予め設定された基準時間Ｄｏとの大小比較を判断する（ステップＳ８）。計測された停止時間Ｄｘが予め設定された基準時間Ｄｏに達した場合（ステップＳ８においてＹＥＳであって、液冷媒有りの判定）、主制御コンピュータＣ１は、三相変調制御を行なう（ステップＳ２）。

計測された停止時間Ｄｘが予め設定された基準時間Ｄｏに達しない場合（ステップＳ８においてＮＯであって、液冷媒無しの判定）、主制御コンピュータＣ１は、二相変調制御を行なう。基準時間Ｄｏは、電動機Ｍの停止後に液冷媒が吸入室１８１内に生成可能な最短時間である。

第３の実施形態では、起動指令の入力と同時に液冷媒有無の判定が行なわれるため、起動時に液冷媒が無い場合には起動時から二相変調制御が行なわれる。従って、起動時に液冷媒が無い場合には、起動時から二相変調制御を行なって電動圧縮機１０におけるインバータ損失を起動時から低減することができる。

本発明では以下のような実施形態も可能である。
○電動機Ｍの停止時間を計測し、計測された停止時間に基づいて、所定値（基準量Ｑｏあるいは所定時間Ｔｏ）を設定してもよい。電動機Ｍの停止時間が短いほど、吸入室１８１内に溜まる液冷媒の量は少なくなる。よって、停止時間を計測することで、三相変調制御の期間を可及的に短くして二相変調制御に切り換えることができる。

○電動機Ｍの実際の起動開始を起動指令の入力時点から遅らせ、この遅れ時間の間に液冷媒有無の判定を行なうようにしてもよい。
○モータハウジング１８あるいは吸入室１８１内の温度を検出する温度検出器を設け、主制御コンピュータＣ１が温度検出器によって検出された温度に応じて、所定値（基準量Ｑｏあるいは所定時間Ｔｏ）を変更するようにしてもよい。温度検出器によって検出された温度が高いほど、吸入室１８１内に溜まる液冷媒の量は少なくなる。温度情報を考慮した液冷媒排出完了の判定精度は高く、三相変調制御の期間を可及的に短くして二相変調制御に切り換えることができる。

○前記の温度検出器としてインバータ２７の温度を検出する温度検出器を利用してもよい。この温度検出器によって検出された温度情報は、主としてインバータ２７の過熱を回避するために用いられる情報である。

○電動機の回転数と電動圧縮機の回転数とが異なる電動圧縮機に本発明を適用してもよい。
○本発明をピストン式電動圧縮機に適用してもよい。

○可変容量型電動圧縮機に本発を適用してもよい。
前記した実施形態から把握できる技術思想について以下に記載する。
（イ）前記電動圧縮機は、インバータの温度を検出する温度検出手段とを備え、前記判定手段は、前記温度検出手段によって検出された温度に応じて、液冷媒無しの判定の基準を変更する請求項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制御装置。

１０…電動圧縮機。１１…圧縮動作体である可動スクロール。１２…回転軸。１４…圧縮室。１８１…冷媒存在領域である吸入室。２５２…コイル。２７…変調制御手段であるインバータ。Ｍ…電動機。Ｃ１…判定手段である主制御コンピュータ。Ｎｘ…電動圧縮機の回転数である指定回転数。Ｑｏ…所定値としての基準量。Ｑｘ…液冷媒排出量。Ｔｏ…所定値としての所定時間。Ｔｘ…経過時間。

Claims (8)

1. 電動機と圧縮動作体とを備え、前記電動機によって駆動される回転軸の回転に基づく前記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り、前記電動機のコイルが前記電動圧縮機内の冷媒存在領域にある電動圧縮機における電動機制御装置において、
   前記冷媒存在領域内の液冷媒の有無を判定する判定手段と、
   前記判定手段の判定結果に基づいて、前記電動機の駆動を三相変調制御又は二相変調制御にて行なう変調制御手段とを備えた電動圧縮機における電動機制御装置。
2. 前記変調制御手段は、前記電動機の起動時点から前記判定手段によって液冷媒の有無を判定するまでの間は、前記電動機の駆動を三相変調制御にて行なう請求項１に記載の電動圧縮機における電動機制御装置。
3. 前記判定手段は、前記電動機の起動時に液冷媒の有無を判定する請求項１に記載の電動圧縮機における電動機制御装置。
4. 前記判定手段は、前記電動機の駆動中に液冷媒の有無を判定する請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電動圧縮機における電動機制御装置。
5. 前記変調制御手段は、前記判定手段によって液冷媒無しと判定された場合は、前記電動機の駆動を二相変調制御にて行ない、前記判定手段によって液冷媒無しと判定されなかった場合は、前記電動機の駆動を三相変調制御にて行なう請求項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制御装置。
6. 前記判定手段は、前記電動圧縮機の吐出容量と回転数とに基づいて液冷媒排出量を推定し、前記液冷媒排出量が所定値に達した場合に、液冷媒無しと判定する請求項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制御装置。
7. 前記判定手段は、前記電動機の起動時点からの経過時間を計測し、前記経過時間が所定値に達した場合に、液冷媒無しと判定する請求項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制御装置。
8. 前記判定手段は、前記電動機の停止時間を計測し、前記停止時間に基づいて、前記所定値を設定する請求項６及び請求項７のいずれか１項に記載の電動圧縮機における電動機制御装置。

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