JP2017127041A - モータ異常検出システム及びこれを備えた機器 - Google Patents

Abstract

【課題】故障の兆候を検知可能なモータ異常検出システムを提供する。【解決手段】第１、第２及び第３の上下アームを有するインバータ回路は、３つのコイルを有するモータに電気的に接続可能なモータ異常検出システムであって、電圧検出部を用いてモータに電気的に接続したインバータ回路の開放相の電圧を取得し、開放相の電圧を、開放相電圧閾値、及び、開放相電圧閾値とは異なる値の通電相切換閾値それぞれと比較し、この比較を通じて、モータの異常を２種類検知して報知可能。【選択図】図４

Description

本発明は、モータ異常検出システム及びこれを備えた機器に関する。

インバータ制御装置を備えた基板によって駆動されるモータにおいて、モータが異常停止した際に、その原因を検出することで、異常発生箇所の特定及び原因の究明を早期に行うことができる。これにより、保守や修理の時間短縮が可能となる。例えば、特許文献１に記載のような技術が開示されている。

特許文献１は、起電圧が所定値に所定時間以上到達しないといったトラブルが生じた際に、故障原因を判定する制御を開始し、起動不良の原因を減磁故障とそれ以外（不動故障）に区別し、減磁故障の場合は電圧閾値を変更した上で通電制御を継続させ、不動故障の場合はブラシレスモータ２の通電制御を停止させることが開示されている（図５−８等）。

特開２０１４−１５５２７３号公報

特許文献１は、故障判定に用いる閾値電圧が、通電相を切換える閾値電圧と同一である（００１８，００２１，００２２等）。このため、通電相の切換が少なくとも一時的にできなくなってからでなければ報知ができず、そのときは、既にモータが駆動不可能であるか、或いは出力を一定以上弱めた運転となることを許容せざるを得ない。すなわち、故障検知が生じてからモータの交換または修理が完成するまでの期間、使用者に不便や不利益を与えるおそれがある。このため故障の兆候を検知することが望まれる。

上記事情に鑑みてなされた本発明は、第１、第２及び第３の上下アームを有するインバータ回路と、前記上下アームそれぞれの電圧を検出可能な電圧検出部と、を備え、前記第１、第２及び第３の上下アームのそれぞれは、３つのコイルを有するモータに電気的に接続可能なモータ異常検出システムであって、前記電圧検出部を用いて前記モータに電気的に接続した前記インバータ回路の開放相の電圧を取得し、該開放相の電圧を、開放相電圧閾値、及び、該開放相電圧閾値とは異なる値の通電相切換閾値それぞれと比較し、該比較を通じて、前記モータの異常を２種類検知して報知可能なことを特徴とする。

本発明に依れば、故障の兆候を検知可能なモータ異常検出システムを提供できる。

実施例１のモータ異常検出システムの回路図 実施例１のＵ＋相及びＶ−相を通電した場合のモータの動作を示す図 実施例１の通電モードの一覧 実施例１のロータ位相と開放相電圧の関係に、２種類の閾値を書き加えて示した図 実施例１のモータ異常検出システムの制御フロー図 実施例２のインバータ制御装置を備える機器の一例である冷蔵庫の縦断面図

以下、本発明の実施例を添付の図面を参照しつつ説明する。同様の構成要素には同様の符号を付し、また、同一の説明は繰り返さない。

［モータ異常検出システム１００］
図１は実施例１におけるインバータ制御装置１及びモータ２を有するモータ異常検出システム１００の回路図である。
インバータ制御装置１は、電源電圧を供給するインバータ直流電源９と、６個のスイッチング素子３から構成される３相のインバータ回路部と、各スイッチング素子３のＯＮ−ＯＦＦのスイッチング状態を決定するための駆動信号を出力する演算器４と、インバータ直流電源９に流れる電流を検出する電流検出回路８と、回転式のモータ２の誘起電圧を検出するための電圧検出回路７とから構成される。インバータ制御装置１は、モータ２に接続可能であり、インバータ制御装置１には、負荷として３相のコイル５及びロータ６を有するモータ２が接続される。モータ２の３相のコイルは、スター形に結線されている。

インバータ直流電源９は、インバータ回路部に直流電圧を印加する。インバータ直流電源９の低電位側は接地している。インバータ回路部は、２つのスイッチング素子３が直列に接続した上下アーム（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）が、３つ並列に接続した構造である。上下アームの上側素子（Ｕ＋，Ｖ＋，Ｗ＋相）には、インバータ直流電源９の高電位側が、下側素子（Ｕ−，Ｖ−，Ｗ−相）には、インバータ直流電源９の低電位側が、それぞれ接続している。各スイッチング素子３には、還流ダイオードが並列に接続されている。また、インバータ直流電源９の低電位側及びインバータ回路部の間には、電流検出回路８が設けられている。

各上下アームの上側素子及び下側素子の間には、モータ２が有する３つのコイルそれぞれに接続する導線の一端が電気的に接続されている。以下では、第一上下アーム（Ｕ＋，Ｕ−相）、第二上下アーム（Ｖ＋，Ｖ−相）、及び第三上下アーム（Ｗ＋，Ｗ−相）、に接続しているコイル５をそれぞれＵ相コイル、Ｖ相コイル、及びＷ相コイルと呼称する。各相のコイルは、それぞれの上側素子及び下側素子の間に一端が、中性点に他端が接続している。

各上下アーム及び各コイル５を接続する導線には、電圧検出回路７がそれぞれ接続されている。電圧検出回路７は、導線側から順に、分圧抵抗を形成する２つの抵抗１０，１１を有し、抵抗１１の一端は接地している。電流検出回路５により検出された電流値及び電圧検出回路４により検出された電圧値は、それぞれ演算器３に送られる。

［開放相電圧］
図２はＵ＋相及びＶ−相を通電した場合のモータ２の動作を示した図、図３は６つのスイッチング素子３のうち２つを通電（オン）させる「通電モード１−６」を示す図、図４は各通電モードに設定したときのロータ６の位相（横軸）及び開放相の電圧（縦軸）の関係を示す図である。

開放相電圧は、上下アームのスイッチング素子の両方が開放状態となっている相の電圧であり、非開放相の磁束による誘起電圧である。グラフで示すように、開放相電圧は、ロータ６の位相に対して略正弦波状の対応を有する。具体的な波形はモータ２のパラメータに依存するため、組立時に実測して演算器４にテーブル等として記憶させることができる。

ロータ６の位置決めとしては、例えば、以下のようにして行うことができる。まず、モータ異常の検出プロセスを実行する前に、モータ異常検出システム１００は、インバータ制御装置１のスイッチング素子３を所定のパターンに通電及び開放させて或る程度の時間を経過させる。通電モード１では、Ｕ＋相及びＶ−を通電、その他の相を開放させる。こうすると電磁石であるＵ相コイルは、ロータ６に対向する側がＮ極に磁化し、Ｖ相コイルはＳ極に磁化する。ロータ６は、例えば、Ｎ極を外経側に持つ第１の永久磁石及びＳ極を外経側に持つ第２の永久磁石を、回転軸を介して対向して有しているため、例えばパルス状の電圧を印加することを数秒間繰り返すと、ロータ６は、第１の永久磁石がＶ相コイルに、第２の永久磁石がＵ相コイルにそれぞれ引きつけられ、磁力が釣り合う位相で静止する。演算器４は、このときのロータ６の位相が例えば０であるとして記憶できる。このようにして、ロータ６の位置決めが実行できる。

［モータ異常の検出］
上述したように、通電モード１−６のように、第１の上下アームの上側素子及び第２の上下アームの下側素子を通電、かつ、その他の素子を開放させると、ロータ６の位相に応じた電圧が開放相である第３の上下アームに生じる。このため、６つのスイッチング素子３の通電状態に対応する、モータ２の正常時の開放相電圧を記憶しておけば、モータ異常検査時に実測した実測値と記憶値とを比較することで、モータ異常が生じているか否かを判定できる。

本実施例では、図２に例示した通電状態を「通電モード１」と定義し、この状態を維持したときのロータ６の位相を０とする。３つの上下アームのうち、１つの上側素子をオン、１つの下側素子をオン、その他の素子を開放（オフ）にする組合せは、３＊（２＊１）＝６通り存在するため、通電モードは６つが定義される。各通電モードでロータ位相が安定して静止することから、ロータ位相は２π／６毎となる。開放相は、６つの通電モードで各２回ずつ現れる。

通電モード１では、スイッチング素子３のうちＵ＋とＶ−をオンすることで、Ｕ相とＶ相を通電相とする。Ｗ相は開放相となる。このときの開放相電圧として、演算器４はＷ相の位相０における電圧Ｗ（０）を記憶しておくことができる。
通電モード２では、スイッチング素子３のうちＵ＋とＷ−をオンすることで、Ｕ相とＷ相を通電相とする。Ｖ相は開放相となる。このときの開放相電圧として、演算器４はＶ相の位相０における電圧Ｖ（２π／６）を記憶しておくことができる。
通電モード３では、スイッチング素子３のうちＶ＋とＷ−をオンすることで、Ｖ相とＷ相を通電相とする。Ｕ相は開放相となる。このときの開放相電圧として、演算器４はＵ相の位相０における電圧Ｕ（４π／６）を記憶しておくことができる。
通電モード４では、スイッチング素子３のうちＶ＋とＵ−をオンすることで、Ｖ相とＵ相を通電相とする。Ｗ相は開放相となる。このときの開放相電圧として、演算器４はＷ相の位相０における電圧Ｗ（６π／６）を記憶しておくことができる。
通電モード５では、スイッチング素子３のうちＷ＋とＵ−をオンすることで、Ｗ相とＵ相を通電相とする。Ｖ相は開放相となる。このときの開放相電圧として、演算器４はＶ相の位相０における電圧Ｖ（８π／６）を記憶しておくことができる。
通電モード６では、スイッチング素子３のうちＷ＋とＶ−をオンすることで、Ｗ相とＶ相を通電相とする。Ｕ相は開放相となる。このときの開放相電圧として、演算器４はＵ相の位相０における電圧Ｕ（１０π／６）を記憶しておくことができる。

モータ異常検出システム１００は、各通電モードに対応するスイッチング素子３のオンオフ設定を演算器４からドライブ信号を出力することで実行し、パルス状の電圧を与えることを繰り返す。ロータ６の位相が安定すると期待される時間、例えば数秒−十数秒間経過した後、開放相電圧を測定することができる。通電モードの維持時間が比較的長く各相に正弦波状の電圧を印加することは容易ではないため、開放相電圧は、グラウンドに対する電圧にすることができる。

演算器４は、各通電モードに対応する６種類の開放相電圧値のみ記憶しても良いが、各開放相の位相０−２πについての値を記憶していると好ましい。

［検出プロセス］
図５は、モータ異常検出システム１００によるモータ異常検出プロセスのフローチャートである。モータ異常検出プロセスは、例えば、モータ異常検出システム１００が、所定時間毎に、モータ２の起動時に、又は検出開始指令をトリガーとして、開始することができる。モータ異常検出プロセスは、モータ異常検出システム１００又はモータ異常検出システム１００を搭載した機器に、検出開始指令を発するスイッチや検出開始指令を受信する受信部といった、使用者が操作可能な指令部を設けることで開始できるようにしても良い。指令部によって開始可能にすると、モータ２の故障時に、使用者や修理者が任意でプロセスを開始させることができるため好ましい。

モータ異常検出プロセスは、ロータ６が静止していることを確認してから開始することが好ましい（ＳＴＡＲＴ）。プロセス開始時のｎは１に設定される。ｎ＜５でなければ（ステップＳ１０１，ＮＯ）、モータ異常を検出しないとしてプロセスを終了する（ＥＮＤ）。この際、モータ異常を検出しなかった旨の報知をしても良い。例えば、第１のランプを点灯させたり、音声でその旨を発しても良い。報知としては、使用者や修理者にその旨を伝達できればその態様は問われない。

一方、ｎ＜５であれば（ステップＳ１０１，ＹＥＳ）、インバータ制御装置１は、通電モードｎ＝１に対応するスイッチング素子３のオンオフ状態に切換える（ステップＳ１０２）。電圧検出回路７の電圧値に基づいて開放相電圧の実測値を検出する（ステップＳ１０３）。取り込んだ開放相電圧と上述した判定法に基づいて、モータ異常が生じているか否かを検出する（ステップＳ１０４）。

ステップＳ１０４の詳細を説明する。演算器４は、各通電モードを切換えるロータ位相それぞれに対応した通電相切換閾値と開放相電圧閾値とを記憶している。通電相切換閾値の絶対値は開放相電圧閾値の絶対値より小さい。演算器４は、取得した開放相電圧が通電相切換閾値以下／以上から以上／以下となった場合に、通電モードを切換える。また、取得した開放相電圧の絶対値が開放相電圧閾値の絶対値以下である場合に、モータに何らかの異常が生じていると判定する。

例えば、通電モード１，３，又は５のように、通電相切換閾値と開放相電圧閾値とがともに負値である場合、演算器４に取りこまれた開放相電圧値が通電相切換閾値未満ならば、開放相電圧は一応正常と判定される（ステップＳ１０４，Ｙｅｓ）。一方、演算器４に取りこまれた開放相電圧値が通電相切換閾値以上ならば、開放相電圧が正常でないと判定する（ステップＳ１０４，Ｎｏ）。

通電モード２，４，又は６のように、通電相切換閾値と開放相電圧閾値とがともに正値の場合、演算器４に取りこまれた開放相電圧値が通電相切換閾値超ならば、開放相電圧は一応正常と判定される（ステップＳ１０４，Ｙｅｓ）。一方、演算器４に取りこまれた開放相電圧値が通電相切換閾値以下ならば、開放相電圧が正常でないと判定する（ステップＳ１０４，Ｎｏ）。

開放相電圧が一応正常と判定された場合、さらに、モータ２が真に正常であるか、或いは減磁が進行しているかが判定される。具体的には、演算器４に取りこまれた開放相電圧値が開放相電圧閾値及び通電相切換閾値の間であるかが判定される（ステップＳ１０７）。間でないとき、すなわち開放相電圧値の絶対値が開放相電圧閾値の絶対値以上であるとき（ステップＳ１０７，Ｎｏ）、開放相電圧が正常であると判定され、ｎをインクリメントしてステップＳ１０１に戻る。一方、間であるとき、すなわち開放相電圧値の絶対値が開放相電圧閾値の絶対値と通電相切換閾値の絶対値の間であるとき（ステップＳ１０７，Ｙｅｓ）、モータロック等には至っていないものの減磁が進行していると判定され、その旨の報知がなされる（ステップＳ１０８）。

開放相電圧が正常でないと判定された場合（ステップＳ１０４，Ｎｏ）、モータ２はモータロック異常と判定され（ステップＳ１０５）、エラー報知が行われる（ステップＳ１０６）。その後、プロセスを終了させる（ＥＮＤ）。

［２種の閾値を用いる意義］
減磁が進行するとロータ位相に対する開放相電圧の振幅が小さくなる。このため、通電相の切換判定の基準となる通電相切換閾値より大きい絶対値を持つ値として、開放相電圧閾値を設定しておくことで、出力を低下させる必要には至らないものの減磁が進行していることを検知できる。このため、モータ２の駆動の継続が不可能となる重大な故障が生じる兆候を検知して、その旨の報知が可能となる。これにより、モータ２が定格通りに駆動可能な段階で、修理や交換を検討すべきと報知できる。一方、開放相電圧閾値の絶対値よりも小さい絶対値を持つ通電相切換閾値を用いて比較することで、モータロックが生じる又は減磁が非常に進行した結果通電相切換が不可能となったことを検知できる。これにより、早急に修理や交換が必要であることを報知できる。

報知の態様としては、例えば第２のランプを点灯させたり、音声でその旨を発しても良い。このとき、エラー報知と減磁報知とが区別できるように報知の内容は２種類以上用意されていると好ましい。

［モータ異常検出システムを搭載した機器］
図６は、モータ異常検出システム１００を搭載した機器の一例である冷蔵庫３００の断面図である。冷蔵庫３００は、密閉型圧縮機２００、凝縮器（不図示）、減圧部（不図示）及び蒸発器３０１を含む冷凍サイクルを有している。密閉型圧縮機２００は、インバータ制御装置１及びモータ２を含むモータ異常検出システム１００を有している。冷媒を密閉型圧縮機２００で圧縮して高温高圧にし、凝縮器で放熱させ、さらに減圧部で圧力を低下させて蒸発器３０１で蒸発させることで冷気を得ることができる。
密閉型圧縮機２００を搭載する機器は、冷蔵庫３００に限られず、空調機等種々の機器に適用可能である。

１：インバータ制御装置
２：モータ
３：スイッチング素子
４：演算器
５：コイル
６：ロータ
７：電圧検出回路
８：電流検出回路
１００：モータ異常検出システム
２００：密閉型圧縮機
３００：冷蔵庫

Claims (4)

1. 第１、第２及び第３の上下アームを有するインバータ回路と、
   前記上下アームそれぞれの電圧を検出可能な電圧検出部と、を備え、
   前記第１、第２及び第３の上下アームのそれぞれは、３つのコイルを有するモータに電気的に接続可能なモータ異常検出システムであって、
   前記電圧検出部を用いて前記モータに電気的に接続した前記インバータ回路の開放相の電圧を取得し、
   該開放相の電圧を、開放相電圧閾値、及び、該開放相電圧閾値とは異なる値の通電相切換閾値それぞれと比較し、
   該比較を通じて、前記モータの異常を２種類検知して報知可能なことを特徴とするモータ異常検出システム。
2. 前記開放相電圧閾値の絶対値は、前記通電相切換閾値の絶対値より大きく、
   前記開放相の電圧が、
   前記開放相電圧閾値及び前記通電相切換閾値の間である場合に、第一の報知をし、
   前記通電相切換閾値の絶対値より小さい場合に、第二の報知をすることを特徴とする請求項１に記載のモータ異常検出システム。
3. 前記比較を開始させる指令部を有し、
   該指令部は、使用者が操作可能なことを特徴とする請求項１又は２に記載のモータ異常検出システム。
4. 請求項１乃至３何れか一項に記載のモータ異常検出システムを備えた機器。

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