JP2013255373A - モータ駆動装置および空気調和装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータの減磁を防止すると共に、モータの駆動範囲を向上することができるモータ駆動装置および空気調和装置を得る。
【解決手段】モータ２０に印加された電圧とモータ電流とに基づき、モータ２０の巻線３５の抵抗値Ｒｅを求め、巻線３５の抵抗値Ｒｅと巻線の温度係数とに基づき、ロータ３１の磁石の温度を推定し、減磁電流値と磁石の温度との関係に基づき、過電流保護設定値を、推定した永久磁石の温度における減磁電流値を下回るように設定し、推定した永久磁石の温度の変化に応じて、過電流保護設定値を変更する。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁界を発生する巻線と永久磁石とを有するモータを駆動するモータ駆動装置、およびそれを備えた空気調和装置に関するものである。

近年、地球温度化や電力不足により空気調和装置での省エネ化への更なる取り組みは重要となっており、空気調和装置の省エネルギー化のためには、圧縮機やファンモータを高効率で駆動させることが重要となる。省エネルギー化を進めるために、空気調和装置に搭載されているファンモータに、誘導モータと比較して高効率駆動が可能な同期モータであるブラシレスモータ（以下、ＤＣＢＬＭという）を採用していく必要がある。

ＤＣＢＬＭは回転を発生するロータと回転を発生させるために磁界を発生させるステータとから構成されている。ステータにはステータ鉄心と電機子巻線（以下、巻線ともいう）にて主に構成されており、電機子巻線に電流を流すことで磁界が発生する。その磁界とロータに搭載した磁石の磁力により、ロータを回転させる。

電機子巻線に電流を流すと、巻線自身の抵抗により巻線が発熱する。その熱により電機子巻線自身の温度や巻線からの伝熱によりステータ鉄心の温度が上昇し、ステータ自身の温度が上昇する。ステータの温度が上昇すると、伝熱によりロータの温度も上昇する。

ロータに搭載した磁石には、主にフェライト磁石や希土類磁石などを使用する。一般的に、希土類磁石の方がフェライト磁石より磁力は強いが価格が高いため、使用する用途により最適な磁石を選定する。磁石は、磁束密度（φ）と温度（ｔ）の間に依存性があり、ある温度条件を超えて使用すると磁力が減り、温度が元に戻っても磁力が戻らない減磁現象（不可逆減磁）が発生する。
ビオ・サバールの法則により磁束密度（φ）と電流（Ｉ）には比例関係がある。そのため、減磁には温度（ｔ）と電流（Ｉ）に依存する。ここでの電流（Ｉ）は電機子巻線に流れる電流（以下、モータ電流ともいう）である。この減磁に対する温度（ｔ）と電流（Ｉ）の依存性は、磁石の種類により異なる。フェライト磁石の場合、低温になるほど低い電流値で減磁する。希土類磁石の場合は、高温になるほど低い電流値で減磁する。

ファンモータに搭載するＤＣＢＬＭは、減磁による磁力が低下すると効率が悪化するため、減磁しないように制御する必要がある。つまり、減磁する電流値（減磁電流値）以下の電流で駆動させ、万が一、電流値が大きくなってしまった場合でも、減磁電流値に達する前に、制御器側で電流を検知して保護停止（過電流保護）する必要がある。
この過電流保護の設定値（以下、過電流保護設定値という）は、空気調和装置を運転させる温度の範囲で、減磁電流値が最小となる値を閾値として設定している。

また、電流値がブラシレスモータの減磁電流を超えることを防止するモータ駆動装置として、ブラシレスモータの雰囲気温度を検出する温度検出手段を設け、温度検出手段によって検出される雰囲気温度が低くなるに従って、保護回路の電流遮断閾値を小さく設定するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−２１７６７４号公報（段落［０００７］〜［０００９］）

減磁電流は温度に依存しており、フェライト磁石の場合は低温になるほど減磁電流が低くなり、希土類磁石の場合は高温になるほど減磁電流が低くなる。このため、減磁を防止するには、モータを運転する際に想定する温度の範囲（以下、運転温度範囲という）において、減磁電流が最小となる電流値よりも低い過電流保護設定値を設定し、この過電流保護設定値を超えないように制御する必要がある。例えば、図１３（ａ）に示すように、フェライト磁石の場合は運転温度範囲の最低温度における減磁電流値よりも低い温度の過電流保護設定値を設定する必要がある。また例えば、図１３（ｂ）に示すように、希土類磁石の場合は運転温度範囲の最大温度における減磁電流値よりも低い温度の過電流保護設定値を設定する必要がある。
特に、空気調和装置の室外機に搭載されたファンを駆動するモータの場合、空気調和装置の室外機は室外環境におかれるため、気候の異なる国や地域によって−２５〜５５℃までの気温に適応する必要がある。さらに、近年では低温地域や高温地域での要求もあるため、−４０℃や６５℃などの極低温や高温に適用することが求められている。このため、極低温や高温になった場合には、過電流保護設定値をより低い値に設定する必要がある。
このように、モータの運転温度範囲における減磁電流の最小値によりモータ電流の最大値を制限すると、温度変化により減磁電流値が上昇したのにも拘わらず、モータの回転数やトルクが制限されモータの駆動範囲が減少するという課題があった。また、モータの駆動範囲を広げるため、減磁電流値の温度による低下が少ない磁石を用いることが考えられるが、このような磁石は価格コストが高くなる課題がある。

また特許文献１に記載の技術では、モータが設置される雰囲気温度（外気温度）を検出し、その雰囲気温度により電流遮断閾値を設定している。しかしながら、減磁が生じるロータの磁石の温度と、雰囲気温度（外気温度）とは必ずしも一致せず、減磁電流を超えるモータ電流が流れる可能性があるという課題がある。
また例えば、モータの筐体内部にロータの磁石の温度を検出する温度センサを設けることが考えられるが、回転駆動するロータ自体に温度センサを設けることはできず、また、ロータとステータとの間に温度センサを設けることも困難である。また例えば、ステータの巻線端部側の近傍に温度センサを設けたとしても、設置位置により検知温度にバラツキがあり、ロータの磁石の温度を精度良く検出することはできない。
このように、ロータの磁石の温度を精度良く検出することができず、温度変化により減磁電流値が上昇した際に、過電流保護設定値を上昇させて、モータの回転数やトルクの制限を緩和してモータの駆動範囲を広げることができないという課題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、モータの減磁を防止すると共に、モータの駆動範囲を向上することができるモータ駆動装置および空気調和装置を得るものである。
また、モータの磁石の温度を精度良く推定することができるモータ駆動装置および空気調和装置を得るものである。

本発明に係るモータ駆動装置は、磁界を発生する巻線と永久磁石とを有するモータを駆動するモータ駆動装置であって、直流電圧を交流電圧に変換して前記モータに印加するインバータ回路と、前記モータに流れるモータ電流を検出する電流検出手段と、前記モータ電流が過電流保護設定値を超えないように、前記インバータ回路を制御して前記モータの運転を制御する制御部と、前記永久磁石に減磁を発生させる前記巻線の減磁電流値と、前記永久磁石の温度との関係が記憶される記憶部と、を備え、前記制御部は、前記モータに印加された電圧と前記モータ電流とに基づき、前記モータの巻線の抵抗値を求め、前記巻線の抵抗値と前記巻線の温度係数とに基づき、前記永久磁石の温度を推定し、前記減磁電流値と前記永久磁石の温度との関係に基づき、前記過電流保護設定値を、推定した前記永久磁石の温度における前記減磁電流値を下回るように設定し、推定した前記永久磁石の温度の変化に応じて、前記過電流保護設定値を変更するものである。

本発明に係る空気調和装置は、磁界を発生する巻線と永久磁石とを有し、室外機に搭載されたファンを回転駆動するモータと、上記のモータ駆動装置とを備えたものである。

本発明は、過電流保護設定値を、推定した永久磁石の温度における減磁電流値を下回るように設定し、推定した永久磁石の温度の変化に応じて、過電流保護設定値を変更する。このため、モータの減磁を防止すると共に、温度変化により減磁電流値が変化する際に過電流保護設定値を変化することができ、モータの駆動範囲を向上することができる。
また、モータに印加された電圧とモータ電流とに基づき、モータの巻線の抵抗値を求め、この抵抗値と巻線の温度係数とに基づき、永久磁石の温度を推定する。このため、モータの磁石の温度を精度良く推定することができる。

本発明の実施の形態１に係るモータ駆動装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１に係るモータの構成を示す概略分解斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る空気調和装置の概略構成図である。 本発明の実施の形態１に係る空気調和装置の室外機の概略構成図である。 本発明の実施の形態１に係る過電流設定値の設定動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１に係る温度と減磁電流値と過電流設定値との関係を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る抵抗値Ｒａと温度と過電流設定値との対応テーブルを示す図である。 本発明の実施の形態２に係る外風によるトルクの影響を説明する図である。 本発明の実施の形態２に係るトルクと回転数との関係を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る過電流設定値の設定動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２に係るトルクと回転数と電圧値との関係を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る外風により生じたトルクの算出方法を説明する図である。 従来の技術における温度と減磁電流値と過電流設定値との関係を示す図である。

実施の形態１．
（モータ駆動装置の構成）
図１は、本発明の実施の形態１に係るモータ駆動装置の構成を示す図である。
モータ駆動装置１０は、例えば直流電源から供給され電解コンデンサ１７により平滑された直流電圧（母線電圧）を交流電圧に変換し、後述するモータ２０のステータ３２に供給する装置である。このモータ駆動装置１０は、インバータ回路１１と、モータ電流検出回路１４と、制御部１５とを備えている。

インバータ回路１１は、電解コンデンサ１７により平滑された直流電圧が入力され、制御部１５の動作によりＰＷＭ制御を行い、入力された直流電圧を任意電圧、任意周波数の３相交流に変換する。インバータ回路１１は、複数のスイッチング素子１１ａ〜１１ｆ（例えばＩＧＢＴ）と、スイッチング素子１１ａ〜１１ｆがオフしたとき還流電流を流す複数のダイオード素子１２ａ〜１２ｆと、ドライブ回路１３とを備えている。インバータ回路１１は、一つのパッケージ内に組み込まれてパワーモジュール４１（図２参照）を構成している。なお、ドライブ回路１３はパワーモジュール４１内ではなく制御部１５側に含めた構成としてもよい。

ドライブ回路１３は、制御部１５から送られる制御信号に基づいて動作信号（ＰＷＭ信号、ゲート信号）を生成して各スイッチング素子１１ａ〜１１ｆに出力し、各スイッチング素子１１ａ〜１１ｆのスイッチング動作を行う。

モータ電流検出回路１４は、モータ２０に流れるモータ電流を検出するものである。
このモータ電流検出回路１４は、例えば、モータ２０の三相のうち任意の一相に流れる電流（交流）を、ＤＣＣＴ（ＤＣ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）にて電圧（交流）に変換し、この電圧をオペアンプにより増幅して出力電圧を変換することで、マイコンにより構成された制御部１５に入力する電圧値（０〜５Ｖ）の範囲に変換する。そして、マイコンにより構成された制御部１５のＡ／Ｄ入力ポートに入力され、マイコン内では、デジタル値として電圧値を読み込む。例えば、入力された電圧値に所定の定数を掛けて、モータ２０に流れている電流値に変換する。このようにして検出された電流は交流のため、時間毎に電流値が変動するが、短期的には周期が一定のため、その実効値を算出することでモータ電流（実効値）を得ることができる。

なお、モータ電流検出回路１４の構成はこれに限るものではなく、モータ２０に流れる電流を検出するものであればよい。
例えば、モータ２０に流れた電流をセンス抵抗で電圧値に変換し、その変換した電圧値をアイソレーションアンプにより絶縁させて、マイコン側へ送付するようにしても良い。アイソレーションアンプを用いることで、モータ２０側と制御部１５側とを絶縁させることができ、マイコンの電位側に合わせることができる。

なお、モータ電流検出回路１４は、本発明における「電流検出手段」に相当する。

制御部１５は、例えばマイコンにより構成され、外部から入力される制御信号やモータ電流検出回路１４からの信号に応じてドライブ回路１３に制御信号を出力し、ドライブ回路１３を制御する。この制御部１５は、モータ電流が後述する過電流保護設定値を超えないように、インバータ回路１１を制御してモータ２０の運転を制御する。
また、制御部１５には、記憶部１６が設けられている。この記憶部１６は、後述するロータ３１の磁石に減磁を発生させる巻線３５の減磁電流値と、ロータ３１の温度との関係が記憶される。詳細は後述する。

（モータの構成）
次に、モータ２０の構成について説明する。
図２は、本発明の実施の形態１に係るモータの構成を示す概略分解斜視図である。
モータ２０は、例えば３相の同期モータ（ブラシレスモータ：ＤＣＢＬＭ）であり、後述する室外機１１７のプロペラファン１０８Ｆを駆動する。
モータ２０は、ロータ３１と、ステータ３２と、パワーモジュール４１が実装されたプリント配線基板４０と、これらを収納する金属製の上ケース５０ａ及び下ケース５０ｂとを有し、全体的に略円柱状を成している。

下ケース５０ｂ、プリント配線基板４０及びステータ３２のそれぞれの外周部には複数の取り付け穴２１が設けられており、この取り付け穴２１にネジ２２を挿通し、上ケース５０ａに設けたネジ穴（図示せず）に螺合することで全体が一体化されている。
上ケース５０ａ、下ケース５０ｂ及びプリント配線基板４０のそれぞれには、ロータ３１の回転軸３１ａを通すための開孔２３が設けられており、上ケース５０ａ及び下ケース５０ｂの開孔２３から突出した回転軸３１ａの端部にプロペラファン１０８Ｆ（後述）が接続される。

ロータ３１は、磁力を発生させる磁石（永久磁石）を有している。ロータ３１の磁石は、フェライト磁石、または、希土類磁石（ネオジムやジスプロシウムなどの材質である）が用いられる。フェライト磁石は、温度の上昇に従って減磁電流が増加する特性を有している。また、希土類磁石は、温度の低下に従って減磁電流が増加する特性を有している。
このように、ロータ３１の磁石の減磁電流値は、温度による依存性をもっており、フェライト磁石では低温の場合に減磁電流値は最小となり、希土類磁石の場合は高温の場合に減磁電流値は最小となる。減磁電流の温度依存性は使用する磁石の材質や大きさによりことなるが、温度差Δｔが５０℃程度異なると減磁電流の耐量は２倍程度変動する。例えば、フェライト磁石で、−２５℃のとき１７Ａの電流値で１％減磁する場合、２５℃のときは３４Ａの電流値で１％減磁となる。

ステータ３２は、ロータ３１の外周部に配置され、ロータ３１を回転駆動する磁界を発生する。ステータ３２は、積層鉄心からなる円筒状のステータ鉄心３３の内周から突出した複数のティース部３４に絶縁層（図示せず）を介して、例えば銅ワイヤを使用した巻線３５が巻装された構成を有している。なお、ティース部３４の個数は通常６個〜２０個であるが図２には９個の例を示している。
巻線３５には、抵抗成分であるＲａとインダクタンス成分であるＬａが存在する。Ｒａ、Ｌａの値はステータ３２の構造や巻線３５を構成する銅ワイヤの巻数に依存するため、モータ固有の値である。

プリント配線基板４０には、パワーモジュール４１と、ホールセンサ４２とが設けられている。ホールセンサ４２は、ロータ３１の磁石の磁束からＳ極またはＮ極を検出し、制御部１５に入力する。制御部１５は、ホールセンサ４２の検知信号から、ロータ３１の回転位置と回転数ｎを検出する。

このように構成されたモータ２０は、ステータ３２の巻線３５へ電流を流し回転磁界を発生させることでロータ３１が回転し、ロータ３１の回転軸３１ａに取り付けられたファンが回転して空気循環を行う。

（空気調和装置の構成）
次に、空気調和装置の構成について説明する。
図３は本発明の実施の形態１に係る空気調和装置の概略構成図である。
図３において、空気調和装置は、冷凍サイクルを構成する圧縮機１０３、四方弁１０４、室外熱交換器１０５、膨張弁１０６、室内熱交換器１０７、室外ファン１０８及び室内ファン１０９を備えている。さらに空気調和装置は、商用電源１に接続され、圧縮機１０３のモータ駆動を行う圧縮機インバータ１０２、室外ファン１０８を回転させるモータ２０を駆動するモータ駆動装置１０、室内ファン１０９の速度制御回路１１２、空気調和装置全体を制御する制御装置１１３、使用者が操作を行うための操作部１１４により構成されている。

図４は本発明の実施の形態１に係る空気調和装置の室外機の概略構成図である。
図４において、室外機１１７は、屋外に設置され、その内部の左側部と後背部に室外熱交換器１０５が配置され、右側部に圧縮機１０３が配置される。そして、室外熱交換器１０５の内側に室外ファン１０８が設けられている。室外ファン１０８は、プロペラファン１０８Ｆと、モータ駆動装置１０により駆動されるモータ２０とにより構成されており、プロペラファン１０８Ｆを回転することにより、図４に示すＡ及びＢ矢印方向から外気を吸い込みＣ矢印方向に吐出することによって室外熱交換器１０５の熱交換を促進するように構成されている。
つまり、モータ駆動装置１０は、通常運転時には、図４に示すＡ及びＢ矢印方向からＣ矢印方向へ風を発生させる回転方向（正方向）にプロペラファン１０８Ｆを回転させて室外熱交換器１０５の冷却を行う。即ちモータ２０が正方向に回転するようにモータトルクを発生させる。

（モータの駆動制御）
制御部１５は、モータ２０のステータ３２に印加するモータ電圧Ｖの指令値〔Ｖｒｍｓ〕を設定し、この指令値〔Ｖｒｍｓ〕に基づき、所定のキャリア周波数でＰＷＭ（パルス幅変調：Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）を行い、そのＰＷＭ制御信号をＰＷＭバッファ出力回路（図示せず）にて、パワーモジュール４１の入力に適した信号へ変換し、パワーモジュール４１内のドライブ回路１３に入力する。
インバータ回路１１は、入力されたＰＷＭ制御信号に従い、複数のスイッチング素子１１ａ〜１１ｆをスイッチング動作させ、モータ２０のステータ３２に設けられた巻線３５に電圧を印加する。このようにモータ２０のステータ３２の巻線電流を制御することで、ロータ３１に同期した回転磁界を発生し、モータ２０を駆動制御する。その際にモータ２０内部にあるホールセンサ４２の信号を制御部１５が読み取り、回転数やロータ３１の回転位置を読み取る。モータ２０が回転する際に流れるモータ電流は、モータ電流検出回路１４で読み込み、制御部１５へ検出値が入力される。また、モータ電圧Ｖの指令値〔Ｖｒｍｓ〕は制御部１５内にデータとして格納される。

（過電流保護設定値の設定動作）
次に、ロータ３１の磁石の温度に応じた過電流保護設定値の設定動作について説明する。

図５は、本発明の実施の形態１に係る過電流設定値の設定動作を示すフローチャートである。図６は、本発明の実施の形態１に係る温度と減磁電流値と過電流設定値との関係を示す図である。図７は、本発明の実施の形態１に係る抵抗値Ｒａと温度と過電流設定値との対応テーブルを示す図である。
以下、図５の各ステップに基づき、図６、図７を参照しつつ説明する。

（Ｓ１）
制御部１５は、モータ２０が運転中においては、モータ電圧Ｖの指令値〔Ｖｒｍｓ〕から、モータ２０に印加された電圧値を取得する。
また、モータ２０を停止状態から起動させる場合には、パルス入力により予め決めている電圧をモータに印加し、この電圧値をモータ２０に印加された電圧値として取得する。起動時においては、このパルス入力によりモータ２０に瞬時的に電流が流れる。
なお、過電流保護設定値の初期値は、モータ２０の運転温度範囲の減磁電流の最小値以下に設定する。
（Ｓ２）
制御部１５は、モータ電流検出回路１４の検出値からモータ電流を取得する。

（Ｓ３）
制御部１５は、モータ２０に印加された電圧Ｖ〔Ｖｒｍｓ〕とモータ電流Ｉ〔Ａ〕とに基づき、式（１）により、モータ２０の巻線３５の抵抗値Ｒａ〔Ω〕を求める。
Ｒａ＝Ｖ／Ｉ ・・・（１）

（Ｓ４）
次に、制御部１５は、ロータ３１の磁石の温度を推定する。
ここで、ステータ３２とロータ３１とは共に鋼板という熱伝導の良い金属でできているため、モータ２０の巻線３５で発生した熱は、モータ２０内のステータ３２からロータ３１への熱伝導により熱が伝わる。このため、モータ２０の巻線３５の温度と、ロータ３１の磁石の温度との温度差は数℃程度となる。従って、モータ２０の巻線３５の温度が解ればロータ３１の磁石の温度も推定できる。
このようなことから、制御部１５は、モータ２０の巻線３５の抵抗値Ｒａ〔Ω〕と、巻線３５の温度係数〔１／℃〕とに基づき、式（２）により、ロータ３１の磁石の温度を推定する。記憶部１６には、予め巻線３５の材質に応じた温度係数〔１／℃〕の情報が記憶されている。

Ｒａ＝Ｒ０（１＋α２０（ｔ−２０）） ・・・（２）
Ｒ２０：２０℃のときの巻線の抵抗値、α２０：２０℃のときの温度係数

例えば、２０℃のときの抵抗値を１０Ω、α２０を３．９６×１０^-3とすると、４５℃のときの抵抗値は、
Ｒａ＝１０（１＋３．９６×１０^-3（４５−２０））＝１０．９９Ω
と求まる。すなわち、抵抗値Ｒａが１０．９９Ωのとき、巻線３５の温度が４５℃と求まる。
なお、抵抗値Ｒａやα２０は、モータ２０に使用する巻線３５（銅ワイヤ）の材質や径、長さにより異なるが、温度差が２５℃程度異なれば、Ｒａの値は１０％程度の差異が発生する。このため、記憶部１６に、予め、抵抗値Ｒａの値と、温度ｔとの対応関係のデータを記憶させておき、Ｒａ値の値から温度ｔを算出するようにしても良い。
なお、ステータ３２の巻線３５とロータ３１の磁石との温度差を考慮し、上記式（２）を用いて算出した温度から所定の値を差し引いた温度を、ロータ３１の磁石の温度として推定しても良い。

（Ｓ５）
次に、制御部１５は、記憶部１６に記憶された減磁電流値と磁石の温度との関係に基づき、推定した磁石の温度に応じて、減磁電流値を下回るように過電流保護設定値を設定する。
例えば、記憶部１６に、予め、温度に対応する減磁電流値の情報を記憶させ、上記ステップＳ４で推定した温度に対応する減磁電流値よりも所定値（例えば２℃）低い温度を、過電流保護設定値として設定する。
図６（ａ）に示すフェライト磁石の例では、温度と減磁電流との関係が離散的に設定されており、温度が０℃以下の場合は減磁電流値が１７Ａとして、過電流遮断設定値を１５Ａに設定する。また、温度が０℃を超え２５℃以下の場合には、減磁電流が２５Ａとして、過電流遮断設定値を２３Ａに設定する。また、温度が２５℃を超え１００℃以下の場合には、減磁電流が３４Ａとして、過電流遮断設定値を３２Ａに設定する。さらに、温度が１００℃を超えた場合には、減磁電流が６０Ａとして、過電流遮断設定値を５８Ａに設定する。
また図６（ｂ）に示す希土類磁石の例においても、温度と減磁電流との関係が離散的に設定されており、温度が１００℃以上の場合は減磁電流値が１４Ａとして、過電流遮断設定値を１２Ａに設定する。また、温度が１００℃を下回り２５℃以上の場合には、減磁電流が３５Ａとして、過電流遮断設定値を３２Ａに設定する。また、温度が２５℃を下回り０℃以上の場合には、減磁電流が４２Ａとして、過電流遮断設定値を４０Ａに設定する。さらに、温度が−２５℃を下回る場合には、減磁電流が４９Ａとして、過電流遮断設定値を４７Ａに設定する。
このように、温度と減磁電流との関係が離散的に設定することで、記憶部１６の記憶容量を軽減すると共に、制御部１５の演算処理の負荷を軽減することができる。

なお、図７に示すように、巻線３５の抵抗値Ｒａと温度と過電流保護設定値との対応テーブルを、予め記憶部１６に記憶させ、上記ステップＳ３で求めた抵抗値Ｒａに応じて過電流保護設定値を設定するようにしても良い。
例えば、算出した抵抗値Ｒａが９Ωの場合、図７に示す対応テールを参照すると、対応する温度が−２５℃と０℃の間の温度である。モータがフェライト磁石を使用している場合、−２５℃と０℃では、減磁電流は−２５℃のほうが厳しい特性であるため、過電流保護設定値は−２５℃のときの過電流保護設定値に設定する。

なお、過電流保護設定値の設定はこれに限らず、例えば記憶部１６に予め、温度と減磁電流との関係を一次関数で近似した計算式を記憶させ、この関数に、ステップＳ３で推定した温度を代入することで、当該温度における減磁電流値を演算により求め、その減磁電流値から所定の余裕値を差し引いた値を、過電流保護設定値としても良い。

なお、過電流保護設定値の定数に合う起動定数を記憶部１６に設定しておき、制御部１５はモータ２０を起動する際にはこの起動定数を参照して、起動時の電圧指令値を設定することで、モータ２０を起動時から出力を最大まで出せるようになる。

制御部１５は、上記ステップＳ５の後、再びステップＳ１に戻り、上述した動作を繰り返し実行する。例えば、モータ２０の運転中においては、１〜３秒毎に繰り返し実行する。これにより、ロータ３１の磁石の温度の変化に応じて、過電流保護設定値を変更することが可能となる。

制御部１５は、モータ２０が運転中において、モータ電流検出回路１４の検出値からモータ電流を検知し、上記により設定した過電流遮断値を超えないように、インバータ回路１１を制御する。例えば、モータ電流が過電流遮断値を超えた場合、インバータ回路１１へのＰＷＭ制御信号を停止し、モータ２０の運転を停止させる。

以上のように本実施の形態においては、減磁電流値と磁石の温度との関係に基づき、過電流保護設定値を、推定した磁石の温度における減磁電流値を下回るように設定し、推定した磁石の温度の変化に応じて、過電流保護設定値を変更する。
このため、モータ２０の減磁を防止すると共に、温度変化により減磁電流値が変化する際に過電流保護設定値を変化することができ、モータ２０の駆動範囲を向上することができる。すなわち、温度変化により減磁電流値が上昇した際に、過電流保護設定値を上昇させて、モータ２０の回転数やトルクの制限を緩和してモータ２０の駆動範囲を広げることができる。

また、モータ２０に印加された電圧Ｖとモータ電流Ｉとに基づき、モータ２０の巻線３５の抵抗値Ｒａを求め、巻線３５の抵抗値Ｒａと巻線３５の温度係数とに基づき、ロータ３１の磁石の温度を推定する。
このため、ロータ３１の磁石の温度を精度良く推定することができる。したがって、磁石の温度変化に応じて過電流保護設定値を設定する場合であっても、モータ２０の減磁を防止することができる。

実施の形態２．
本実施の形態２では、外風によりモータ２０に生じたトルクに起因する外乱電流を考慮して、モータ２０の巻線の抵抗値を求め、磁石の温度を推定する形態について説明する。
なお、上記実施の形態１と同様の構成には同様の符号を付し、上記実施の形態１との相違点を中心に説明する。

図８は、本発明の実施の形態２に係る外風によるトルクの影響を説明する図である。
モータ２０は、図４に示したように、室外機１１７に外気が通風可能に配置されたプロペラファン１０８Ｆを回転駆動する。このような構成においては、外風などの外乱の影響により室外機１１７のプロペラファン１０８Ｆに回転力（負荷）が加わり、モータ２０の起動時や運転中のトルクが変動する。
モータ２０が、図８（ａ）に示すような回転方向（正方向）にプロペラファン１０８Ｆを回転させている際に、図８（ｂ）に示すような正方向に回転させる順風方向の外風（図４に示すＡ及びＢ矢印方向からＣ矢印方向へ流通する風）が生じた場合、外風による負荷がモータ２０の回転力と同一方向に加わり、モータ２０のトルクが小さくても所望の回転数でプロペラファン１０８Ｆを回転させることができる。
一方、図８（ｃ）に示すような逆方向に回転させる逆風方向の外風（図４に示すＣ矢印の逆方向からＡ及びＢ矢印の逆方向へ流通する風）が生じた場合、外風による負荷がモータ２０の回転力とは逆方向に加わり、所望の回転数でプロペラファン１０８Ｆを回転させるために必要となるトルクが大きくなる。このようなプロペラファン１０８Ｆにかかる負荷とトルクと回転数との関係を図９により説明する。

図９は、本発明の実施の形態２に係るトルクと回転数との関係を示す図である。
図９に示すように、モータ２０の回転数を一定となるように制御する際、定常負荷（風無し）の場合は、トルクＴ０であるのに対し、重負荷（逆風）の場合はそれよりΔＴ１だけ大きなトルク（Ｔ０＋ΔＴ１）が必要となる。一方、軽負荷（順風）の場合はトルクＴ０よりΔＴ２だけ小さいトルク（Ｔ０−ΔＴ２）でよい。
モータのトルクとモータ電流との間には、以下の式（３）が成り立つことが知られている。
Ｔ＝Ｋｒ・Ｉ ・・・（３）
Ｔ：トルク、Ｋｒ：モータ固有の定数、Ｉ：モータ電流

すなわち、モータ２０のトルクはモータ固有の特性とモータ２０に流れる電流値（モータ電流）とに比例するので、負荷が大きくなったときはモータ電流が大きくなり、負荷が小さくなったときにはモータ電流は小さくなる。
このようなことから、本実施の形態２では、外風などの外乱の影響によるモータに生じた電流である外乱電流を求め、この外乱電流を考慮してロータ３１の磁石の温度を推定して過電流設定値を設定する。以下、本実施の形態２における過電流設定値の設定動作を説明する。

（過電流保護設定値の設定動作）
図１０は、本発明の実施の形態２に係る過電流設定値の設定動作を示すフローチャートである。図１１は、本発明の実施の形態２に係るトルクと回転数と電圧値との関係を示す図である。図１２は、本発明の実施の形態２に係る外風により生じたトルクの算出方法を説明する図である。
以下、図１０の各ステップに基づき、図１１、図１２を参照しつつ説明する。なお、図１０のフローチャートにおいて上記実施の形態１（図５）の動作と同一のステップには同一のステップ番号を付し説明を省略する。

（Ｓ２１）
ステップＳ１、Ｓ２のあと、制御部１５は、ホールセンサ４２の検知信号から、モータ２０の回転数（ロータ３１の回転数）を取得する。そして、例えば空気調和装置の制御装置１１３からの制御により指示された所望の回転数となるように、モータ２０のステータ３２に印加するモータ電圧の指令値を設定する。
モータ電圧と回転数とトルクの特性はモータの特性に起因し、それぞれ相関関係がある。例えば、図１１に示すように、モータ電圧毎に回転数とトルクとが略比例する特性として近似できる。つまり、回転数とトルクとが大きい程、モータ電圧が大きくなる。
制御部１５は、外風などの外乱の影響により、プロペラファン１０８Ｆに重負荷が生じ、回転数が下がる場合は、モータ２０に印加するモータ電圧の指令値を上げ、モータ電流を増加させることでトルクを増加させる。逆に、プロペラファン１０８Ｆに軽負荷が生じ、回転数が上がる場合には、モータ２０に印加するモータ電圧の指令値を下げ、モータ電流を減少させることでトルクを減少させる。

（Ｓ２２）
次に、制御部１５は、外風などの外乱の影響によりモータ２０に生じたトルク（以下、外乱によるトルクΔＴという）を求める。
上述したように、モータ電圧と回転数とトルクとには相関関係がある。つまり、モータ２０の回転数とモータ電圧とから、トルクを算出することが可能となる。
例えば、図１２に示すように、回転数が６００〔ｒｐｍ〕、電圧が２００〔Ｖｒｍｓ〕とした場合のトルクはＴａであることがわかる。また、回転数が６００〔ｒｐｍ〕、電圧が２２０〔Ｖｒｍｓ〕とした場合のトルクはＴｂとなる。
このようなことから、記憶部１６に、予め、モータ電圧毎の回転数とトルクとの関係の情報を記憶させ、取得したモータ電圧と回転数とから、外乱によるトルクΔＴを求めることができる。
例えば、回転数６００ｒｐｍで定常負荷（風無し）のときのトルクＴ０は、モータ単体の特性に起因するため、予め評価によりデータとして確認できるので、トルクＴ０の値を予め記憶部１６に格納しておく。
そして、順風（軽負荷）の場合（Ｔ０≧Ｔａ）の外乱によるトルクΔＴは、ΔＴ＝Ｔ０−Ｔａ、となり、逆風（重負荷）の場合（Ｔ０≦Ｔｂ）の外乱によるトルクΔＴは、ΔＴ１＝Ｔｂ−Ｔ０となる。Ｔａ、Ｔｂは、回転数とモータ電圧の指令値から算出でき、Ｔ０は記憶部１６に記憶された情報を用いることができるので、ΔＴも算出可能である。

（Ｓ２３）
次に、制御部１５は、モータ２０の巻線３５の抵抗値Ｒａ〔Ω〕を求める。
本実施の形態２においては、外乱の影響を考慮して、外風によりモータ２０に生じた電流（以下、外乱電流Ｉａという）を、下記式（４）により外乱によるトルクΔＴに基づき求める。
Ｉａ＝ΔＴ／Ｋｒ ・・・（４）
Ｉａ：外乱電流、ΔＴ：外乱によるトルク、Ｋｒ：モータ固有の定数
なお、Ｋｒはモータ単体の特性となるため、予め、記憶部１６に記憶させる。

モータ電流Ｉには、インバータ回路１１から印加したモータ電圧Ｖに起因する電流に加え、外乱電流Ｉａが流れるため、以下の式（５）が成立する。
Ｉ＝Ｖ／Ｒａ＋Ｉａ ・・・（５）
この式（５）より、巻線３５の抵抗値Ｒａ〔Ω〕は、
Ｒａ＝Ｖ／（Ｉ−Ｉａ） ・・・（６）
により求まる。
すなわち、制御部１５は、モータ電流検出回路１４により検出されたモータ電流Ｉから外乱電流Ｉａを差し引いた電流と、モータ電圧Ｖとに基づき、モータ２０の巻線の抵抗値Ｒａを求める。

以降の動作は、上記実施の形態１と同様に、ステップＳ４で、上記により算出した抵抗値Ｒａを用いて磁石の温度を推定し、ステップＳ５でその温度を用いて過電流保護設定値を設定する。

以上のように本実施の形態においては、モータ２０の回転数と、モータ電圧の指令値とに基づき、外風によりモータ２０に生じたトルクΔＴを求め、そのトルクΔＴに基づき、外風によりモータ２０に生じた電流である外乱電流Ｉａを求める。そして、モータ電流Ｉから外乱電流Ｉａを差し引いた電流と、モータ電圧Ｖとに基づき、モータ２０の巻線の抵抗値Ｒａを求める。
このため、外風などの外乱の影響により負荷が変動し、外乱に起因する電流が生じる場合であっても、ロータ３１の磁石の温度を精度良く推定することができる。したがって、磁石の温度変化に応じて過電流保護設定値を設定する場合であっても、モータ２０の減磁を防止することができる。

実施の形態３．
本実施の形態３では、インバータ回路１１のパワーモジュール４１にワイドバンドギャップ半導体を用いた形態について説明する。

本実施の形態３における、スイッチング素子１１ａ〜１１ｆ及びダイオード素子１２ａ〜１２ｆは、それぞれワイドバンドギャップ半導体で構成されている。ワイドバンドギャップ半導体とは、シリコン（Ｓｉ）素子と比較して、バンドギャップが大きい半導体素子の総称であり、炭化ケイ素（ＳｉＣ）素子の他、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンド素子等が挙げられる。
例えば、ＳｉＣ素子は、そのバンドギャップが約２．２〜３．０ｅＶ、耐熱温度が約４００℃という特性を有している。つまり、ＳｉＣ素子は、バンドギャップが約１．１ｅＶ、耐熱温度が約１５０℃という特性を有するＳｉ（シリコン）素子等の従来素子よりも耐熱温度が高い特性を有しており、高温での動作が可能であるといった特徴がある。

また、本実施の形態３における制御部１５は、インバータ回路１１を、２０ｋＨｚ以上のキャリア周波数でＰＷＭ動作させる。
一般に、直流の電流から交流の電流へ変換（インバータ）するとき、スイッチング素子１１ａ〜１１ｆをオン／オフすることにより、擬似的に交流電流となるようにしている。このオン／オフの回数を一定時間で割ったものをキャリア周波数と呼ぶ。キャリア周波数が高い場合、擬似的に流れる電流がより交流電流に近い電流となる。
このキャリア周波数はスイッチング素子１１ａ〜１１ｆがオン／オフする回数であり、この回数はスイッチング素子１１ａ〜１１ｆの材料により設定する。
一般的に、Ｓｉ材料の場合、キャリア周波数は２０ｋＨｚまでが限界といわれているが、ＳｉＣを適用するとキャリア周波数は２０ｋＨｚ以上の周波数でも対応が可能である。そのため、ＳｉＣを利用することにより、モータ２０に流れる電流値をより正確に捉えることができ、モータ２０の巻線の抵抗値Ｒａをより正確に求めることが可能となる。
これにより、上記実施の形態１で説明したように、離散的に複数段階に設定した過電流保護設定値の、設定段階を増加させることが可能となる。例えば、Ｓｉ材料の場合、過電流保護設定値を３段階設定とすると、ＳｉＣを利用することで、過電流保護設定値を５段階設定とできる。

なお、スイッチング素子１１ａ〜１１ｆやダイオード素子１２ａ〜１２ｆの両方がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることが望ましいが、いずれか一方の素子がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていてもよく、この実施の形態３に記載の効果を得ることができる。

１ 商用電源、１０ モータ駆動装置、１１ インバータ回路、１１ａ〜１１ｆ スイッチング素子、１２ａ〜１２ｆ ダイオード素子、１３ ドライブ回路、１４ モータ電流検出回路、１５ 制御部、１６ 記憶部、１７ 電解コンデンサ、２０ モータ、２１ 取り付け穴、２２ ネジ、２３ 開孔、３１ ロータ、３１ａ 回転軸、３２ ステータ、３３ ステータ鉄心、３４ ティース部、３５ 巻線、４０ プリント配線基板、４１ パワーモジュール、４２ ホールセンサ、５０ａ 上ケース、５０ｂ 下ケース、１０２ 圧縮機インバータ、１０３ 圧縮機、１０４ 四方弁、１０５ 室外熱交換器、１０６ 膨張弁、１０７ 室内熱交換器、１０８ 室外ファン、１０８Ｆ プロペラファン、１０９ 室内ファン、１１２ 速度制御回路、１１３ 制御装置、１１４ 操作部、１１７ 室外機。

Claims (9)

1. 磁界を発生する巻線と永久磁石とを有するモータを駆動するモータ駆動装置であって、
   直流電圧を交流電圧に変換して前記モータに印加するインバータ回路と、
   前記モータに流れるモータ電流を検出する電流検出手段と、
   前記モータ電流が過電流保護設定値を超えないように、前記インバータ回路を制御して前記モータの運転を制御する制御部と、
   前記永久磁石に減磁を発生させる前記巻線の減磁電流値と、前記永久磁石の温度との関係が記憶される記憶部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記モータに印加された電圧と前記モータ電流とに基づき、前記モータの巻線の抵抗値を求め、
   前記巻線の抵抗値と前記巻線の温度係数とに基づき、前記永久磁石の温度を推定し、
   前記減磁電流値と前記永久磁石の温度との関係に基づき、前記過電流保護設定値を、推定した前記永久磁石の温度における前記減磁電流値を下回るように設定し、
   推定した前記永久磁石の温度の変化に応じて、前記過電流保護設定値を変更する
   ことを特徴とするモータ駆動装置。
2. 前記モータの回転数を検出する回転数検出手段を備え、
   前記モータは、
   外風が通風可能に配置されたファンを回転駆動し、
   前記制御部は、
   前記インバータ回路が前記モータに印加するモータ電圧の指令値を変化させることで、前記モータの回転数を制御し、
   前記回転数検出手段により検出された前記モータの回転数と、前記モータ電圧の指令値とに基づき、前記外風により前記モータに生じたトルクを求め、
   前記トルクに基づき、前記外風により前記モータに生じた電流である外乱電流を求め、
   前記電流検出手段により検出された前記モータ電流から前記外乱電流を差し引いた電流と、前記モータ電圧とに基づき、前記モータの巻線の抵抗値を求める
   ことを特徴とする請求項１記載のモータ駆動装置。
3. 前記制御部は、
   前記モータの回転数が一定となるように前記モータ電圧の指令値を制御し、
   前記モータ電圧の指令値の変化量に基づき、前記外風により前記モータに生じたトルクを求める
   ことを特徴とする請求項２記載のモータ駆動装置。
4. 前記永久磁石は、温度の上昇に従って前記減磁電流値が増加する特性を有し、
   前記制御部は、
   推定した前記永久磁石の温度の上昇に伴い、前記過電流保護設定値を増加させる
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のモータ駆動装置。
5. 前記永久磁石は、温度の低下に従って前記減磁電流値が増加する特性を有し、
   前記制御部は、
   推定した前記永久磁石の温度の低下に伴い、前記過電流保護設定値を増加させる
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のモータ駆動装置。
6. 前記インバータ回路は、ワイドバンドギャップ半導体により形成されたスイッチング素子のオンオフ動作により、前記モータに交流電力を供給する
   ことを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載のモータ駆動装置。
7. 前記制御部は、
   前記インバータ回路を、２０ｋＨｚ以上のキャリア周波数でＰＷＭ動作させる
   ことを特徴とする請求項６記載のモータ駆動装置。
8. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、またはダイヤモンドである
   ことを特徴とする請求項６または７記載のモータ駆動装置。
9. 磁界を発生する巻線と永久磁石とを有し、室外機に搭載されたファンを回転駆動するモータと、
   請求項１〜８の何れか一項に記載のモータ駆動装置と
   を備えたことを特徴とする空気調和装置。

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