JP2015216708A

JP2015216708A - モータ駆動装置

Info

Publication number: JP2015216708A
Application number: JP2014096138A
Authority: JP
Inventors: 山口　浩二; Koji Yamaguchi; 浩二山口
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2014-05-07
Filing date: 2014-05-07
Publication date: 2015-12-03

Abstract

【課題】永久磁石同期モータのロータが停止した状態で、ｄ軸電流が繰り返し増減するように、永久磁石同期モータのステータの巻線への電流を制御することによって、ロータが鉄損により発熱して、回転軸を熱が伝播し、従来よりも効率良く解凍する。
【解決手段】永久磁石同期モータ１を駆動するモータ駆動装置２であって、永久磁石同期モータのロータが停止した状態でｄ軸電流が繰り返し増減するように永久磁石同期モータのステータの巻線への電流を制御する電流制御手段を具備する。また、電流制御手段は、ｑ軸電流が発生せず、かつｄ軸電流が正極側かつ繰り返し増減するように巻線への電流を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータ駆動装置に関する。

下記特許文献１には、より少ない熱量でインペラ等の凍結を解凍できる燃料電池システムが開示されている。該燃料電池システムは、水素容器からの水素および燃料電池からの排出水素を回転によって移送するインペラを備えるポンプ部と、インペラを回転させるモータ部とを備え、インペラとモータ部とを同一のケーシング内に収容し、水素中の水分が凍結して氷が発生した場合に、ステータに電流を流して発熱させることで、インペラあるいはモータ部の軸受の氷を解凍できる。

特開２００６−１６４７５０号公報

ところで、上記従来技術では、ステータに電流を流して発熱させ、発生した熱をケースや空気を伝播させることでインペラあるいは軸受等の凍結を解凍しているが、熱をケースを介して伝播させる際に熱がケースの外部に逃げると共に、熱伝導率の低い空気を利用してインペラあるいは軸受を温めているため、効率が良くないという問題があった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、従来よりも効率良く解凍することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、永久磁石同期モータを駆動するモータ駆動装置であって、前記永久磁石同期モータのロータが停止した状態でｄ軸電流が繰り返し増減するように前記永久磁石同期モータのステータの巻線への電流を制御する電流制御手段を具備する、という手段を採用する。

本発明では、第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記電流制御手段は、ｑ軸電流が発生せず、かつｄ軸電流が正極側かつ繰り返し増減するように、前記巻線への電流を制御する、という手段を採用する。

本発明では、第３の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記電流制御手段は、前記永久磁石同期モータの始動トルクを超えないで、ｄ軸電流が繰り返し増減するように、前記巻線への電流を制御する、という手段を採用する。

本発明では、第４の解決手段として、上記第１〜第３のいずれか１つの解決手段において、前記電流制御手段は、前記巻線に電流を供給するインバータ回路を有し、前記ロータが停止した状態でｄ軸電流が繰り返し増減するように前記巻線への電流を制御する際に、前記インバータ回路のスイッチング周波数を前記永久磁石同期モータの回転駆動時よりも低くする、という手段を採用する。

本発明によれば、永久磁石同期モータのロータが停止した状態でｄ軸電流が繰り返し増減するように前記永久磁石同期モータのステータの巻線への電流を制御することによって、ロータが鉄損により発熱して、回転軸を熱が伝播するので、従来よりも効率良く解凍することができる。

本発明の一実施形態に係るモータ駆動装置２からなる電動コンプレッサを示す機能図である。本発明の一実施形態に係るモータ駆動装置２からなる電動コンプレッサの縦断面図（ａ）及び横断面図（ｂ）を示す図である。本発明の一実施形態に係るモータ駆動装置２におけるｄ軸電流の例（ａ）、（ｂ）を示す図である。本発明の一実施形態に係るモータ駆動装置２におけるｄ軸電流の一例を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
電動コンプレッサは、図１に示すように、モータ１、モータ駆動装置２、インペラ３、軸受４、回転検出部５及びケーシング６から構成されている。つまり、電動コンプレッサは、本実施形態に係るモータ駆動装置２から構成されている。

モータ１は、永久磁石同期モータであり、図２に示すように、ロータ１１、ステータ１２及び回転軸１３から構成されている。
ロータ１１は、円筒状のロータコア１１ａと複数あるいは１つの永久磁石１１ｂ（図１では４つの永久磁石１１ｂ）とによって構成されている。そして、ロータ１１は、中空円盤形状の鋼鈑を複数枚積層した積層鋼板であり、その中心軸上に設けられた貫通孔に回転軸１３が圧入されて、固定されている。

そして、永久磁石１１ｂは、棒形状に形成されており、ロータコア１１ａの外周側にＮ極の極性を持つ永久磁石１１ｂとＳ極の極性を持つ永久磁石１１ｂとがそれぞれ４つずつ、ロータコア１１ａの外周に沿って埋設されている。具体的には、ロータコア１１ａの外周側にＮ極の極性を向けた永久磁石１１ｂとＳ極の極性を向けた永久磁石１１ｂとが交互に並ぶように埋設されている。

ステータ１２は、円筒形状のステータコア１２ａと当該ステータコア１２ａに巻回された巻線１２ｂとから構成されている。
ステータコア１２ａは、複数の金属製のコアプレートが積層されて構成されており、円環状に形成されたヨークａ１から内周側に突設されたティースａ２を等角度間隔に備えている。そして、このティースａ２の先端部は、全体として円管状の内周面を形成している。

巻線１２ｂは、ティースａ２に複数巻き回されている。また、この巻線１２ｂは、例えば、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線及びＷ相巻線の３相の巻線から構成されており、モータ駆動装置２から供給される３相に応じたモータ駆動電流によって磁極の向きが切り替わる。このような構成のステータ１２は、内周面が所定の隙間を介してロータ１１の外周面に対向している。
回転軸１３は、ロータコア１１ａの軸心に固定された棒状部材であり、両側が一対の軸受４に固定されている。

モータ駆動装置２は、インバータ回路２１及び制御部２２から構成されている。なお、上記インバータ回路２１及び制御部２２は、本実施形態における電流制御手段を構成するものである。

インバータ回路２１は、制御部２２から入力されるスイッチング信号（インバータ駆動信号）に基づいて外部の直流電源Ｅから供給される直流電力を所定周波数（駆動周波数）の交流電力に変換する電力変換回路である。すなわち、このインバータ回路２１は、上記インバータ駆動信号によって複数のスイッチング素子を駆動することにより、直流電力をスイッチングして交流電力に変換する。このようなインバータ回路２１は、上記ステータ１２の巻線１２ｂに交流電力を出力する。

制御部２２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）及び電気的に相互接続されたインバータ回路２１と各種信号の送受信を行うインターフェイス回路等から構成されている。この制御部２２は、上記ＲＯＭに記憶された各種演算制御プログラムに基づいて各種の演算処理を行うと共にインバータ回路２１と通信を行うことによりモータ駆動装置２の全体動作を制御する。

具体的には、制御部２２は、上記回転位置検出信号や目標速度等に基づいてｄ軸電流及びｑ軸電流を算出し、該ｄ軸電流及びｑ軸電流に基づいてインバータ回路２１を制御する。なお、ｄ軸電流とは、永久磁石１１ｂと引き合って停止するための電磁力を巻線１２ｂに発生する電流成分である。また、ｑ軸電流とは、実際にモータ１のトルクを発生させるための電磁力を巻線１２ｂに発生する電流成分である。

インペラ３は、複数の翼が回転軸１３周りに一定間隔で形成された翼車である。
軸受４は、例えば、ボールベアリングであり、内輪が回転軸１３に固定され、外輪がケーシング６に固定されて、回転軸１３を回転自在に支持している。
回転検出部５は、モータ１のロータ１１の回転位置を検出し、回転位置を示す回転位置検出信号を制御部２２に出力する。

ケーシング６は、回転軸１３を中心とする円筒状に形成されており、内部空間にモータ１及びインペラ３を収容する。具体的に、ケーシング６は、回転軸１３を軸心とする円筒壁部や、この円筒壁部の両端に配置されると共に回転軸１３を中心とする円形の一対の端壁部や、端壁部の中心近傍に各々設けられ、上記軸受４が各々固定される一対の軸受取付部等から構成されている。

次に、このように構成された電動コンプレッサの動作について、図３，図４を参照して詳しく説明する。
電動コンプレッサでは、モータ駆動装置２が、起動時、以下の特徴的な動作を実行する。

モータ駆動装置２において、制御部２２は、モータ１のロータ１１が停止した状態で上記ｄ軸電流が繰り返し増減するように、インバータ回路２１に、モータ１のステータ１２の巻線１２ｂへ向けて電流を供給させる。具体的に、制御部２２は、ｑ軸電流が発生せず、かつｄ軸電流が正極側かつ繰り返し増減するように、インバータ回路２１に、巻線１２ｂへ電流を供給させる。なお、ｄ軸電流は、図３（ａ）に示す波形となる。

上記動作において、ｑ軸電流が発生せず、かつｄ軸電流が正極側であるため、ロータ１１が回転しない。つまり、ｑ軸電流が発生しないためにモータ１の回転トルクが発生しないことに加えて、ｄ軸電流が正極側のまま負極側に切り替わらないため、ｄ軸電流に基づく磁極の向きが切り替わらず、ロータ１１が回転しない。

また、ｄ軸電流が増減することによって、ステータ１２に発生する電磁力が変化するので、ロータ１１に鉄損が発生してロータ１１が発熱する。そして、ロータ１１に発生した熱は、回転軸１３を伝播して、インペラ３や軸受４を解凍することができる。

一方、別の方法として、制御部２２は、モータ１の始動トルクを超えないで、ｄ軸電流が繰り返し増減するように、インバータ回路２１に、巻線１２ｂへ電流を供給させる。上述したｄ軸電流は、図３（ｂ）に示す波形となる。上記動作において、モータ１の始動トルクを超えないため、ロータ１１が回転しない。

また、ｄ軸電流が増減することによって、ステータ１２に発生する電磁力が変化するので、ロータ１１に鉄損が発生してロータ１１が発熱する。そして、ロータ１１に発生した熱は、回転軸１３を伝播して、インペラ３や軸受４を解凍することができる。なお、モータ１の始動トルクを超えないのであれば、ロータ１１に鉄損を発生させて、ロータ１１に発熱させるために、ｄ軸電流だけでなく、ｑ軸電流を発生させるようにしてもよい。

さらに、制御部２２は、ロータ１１が停止した状態でｄ軸電流が繰り返し増減するように巻線１２ｂへ電流をインバータ回路２１に供給させる際、インバータ回路２１のスイッチング周波数をモータ１の回転駆動時よりも低くするようにしてもよい。この結果、ｄ軸電流には、図４に示すように、大きなリップルが発生して、ロータ１１の鉄損が増大して、発熱量が増大する。

このような本実施形態によれば、モータ１のロータ１１が停止した状態でｄ軸電流が繰り返し増減するようにモータ１のステータ１２の巻線１２ｂへの電流を制御するので、ロータ１１が鉄損により発熱して、回転軸１３を熱が伝播することによって、ロータ１１が鉄損により発熱して、回転軸１３を熱が伝播するので、従来よりも効率良く解凍ことができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、例えば以下のような変形が考えられる。
（１）上記実施形態では、制御部２２は、起動時に、モータ１のロータ１１が停止した状態でｄ軸電流が繰り返し増減するように、インバータ回路２１に、モータ１のステータ１２の巻線１２ｂへ電流を供給させるようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、温度センサをケーシング６内に設ける。

制御部２２は、温度センサによる検出結果（つまりケーシング６内の温度）が所定のしきい値を下回る場合、モータ１のロータ１１が停止した状態でｄ軸電流が繰り返し増減するように、インバータ回路２１に、モータ１のステータ１２の巻線１２ｂへ電流を供給させるようにしてもよい。そして、制御部２２は、温度センサによる検出結果が所定のしきい値を上回ると、モータ１が駆動するようにインバータ回路２１を制御する動作に移る。

また、制御部２２は、モータ１のロータ１１が停止した状態でｄ軸電流が繰り返し増減するように、インバータ回路２１に、モータ１のステータ１２の巻線１２ｂへ電流を供給させる場合、所定時間この動作を継続し、所定時間経過後に、モータ１が駆動するようにインバータ回路２１を制御する動作に移るようにしてもよい。

（２）上記モータ駆動装置２は、インバータ回路２１及び制御部２２から構成され、外部の直流電源Ｅから供給される直流電力を交流電力に変換するが、例えば、外部の交流電源から供給される交流電力を、整流回路によって整流し、その上で昇圧回路によって昇圧した直流電力をインバータ回路２１によって交流電力に変換するようにしてもよい。
（３）上記モータ１は、永久磁石１１ｂをロータ１１内部に挿入したＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）モータとしたが、永久磁石１１ｂをロータ１１表面に設置したＳＰＭ（Surface Permanent Magnet）モータとしてもよい。
（４）上記モータ１は、回転検出部５を持つ構成としたが、回転検出部５を省略した構成としてもよい。

１…モータ１、２…モータ駆動装置、３…インペラ、４…軸受、５…回転検出部、６…ケーシング、１１…ロータ、１２…ステータ、１３…回転軸、１１ａ…ロータコア、１１ｂ…永久磁石、１２ａ…ステータコア、１２ｂ…巻線、ａ１…ヨーク、ａ２…ティース、２１…インバータ回路、２２…制御部、Ｅ…直流電源

Claims

永久磁石同期モータを駆動するモータ駆動装置であって、
前記永久磁石同期モータのロータが停止した状態でｄ軸電流が繰り返し増減するように前記永久磁石同期モータのステータの巻線への電流を制御する電流制御手段を具備することを特徴とするモータ駆動装置。
前記電流制御手段は、ｑ軸電流が発生せず、かつｄ軸電流が正極側かつ繰り返し増減するように、前記巻線への電流を制御することを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
前記電流制御手段は、前記永久磁石同期モータの始動トルクを超えないで、ｄ軸電流が繰り返し増減するように、前記巻線への電流を制御することを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
前記電流制御手段は、前記巻線に電流を供給するインバータ回路を有し、前記ロータが停止した状態でｄ軸電流が繰り返し増減するように前記巻線への電流を制御する際に、前記インバータ回路のスイッチング周波数を前記永久磁石同期モータの回転駆動時よりも低くすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。