JP2020174502A - 空気圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも圧縮空気の吐出量を増加させることができるモータ駆動式の空気圧縮機を提供する。【解決手段】モータ１１によって圧縮機構を作動させる空気圧縮機１０であって、前記モータ１１により駆動され、圧縮空気を生成する圧縮機構と、前記生成された圧縮空気を貯留するタンク１５と、前記圧縮機構にかかる負荷を取得する負荷取得部と、前記モータ１１の回転を制御する制御部３０と、を備える。前記制御部３０は、前記負荷取得部で取得した前記圧縮機構の負荷に応じて、前記モータ１１のＴＮ特性を変更する制御を行うようにした。【選択図】図３

Description

この発明は、モータによって圧縮機構を作動させる空気圧縮機に関する。

この種の空気圧縮機は様々な機械に接続して使用されるが、使用する機械によって圧縮空気の使用圧力（取り出し圧）や消費量は異なる。例えば、圧縮空気を使用して塗料を吹き付けるスプレーガンは、使用圧力は低いものの、連続して使用されるため多くの圧縮空気を消費する。

このように圧縮空気を大量に消費する機械を使用する場合、圧縮空気の吐出量が大きい空気圧縮機を使用しなければならない。例えば、スプレーガンの使用中に圧縮空気が不足すると、塗装の塗りムラができてしまい、塗り直し作業が必要になるといった問題が発生するからである。

このため、スプレーガンのような大量の圧縮空気を必要とする機械には、圧縮空気の吐出量が多く、消費する空気よりも大量の圧縮空気を生成可能で充填速度が速いエンジンを用いた大型の空気圧縮機（例えば特許文献１参照）を使用することが多かった。

特開２００３−２３９８６３号公報 特開２０１７−３６６９２号公報

しかし、エンジン駆動式の空気圧縮機は、重くて持ち運びが困難であり、騒音も大きく、また、ガソリンのにおいがするという問題がある。

一方、モータによって圧縮機構を作動させる空気圧縮機（例えば特許文献２参照）は、エンジン駆動式の空気圧縮機に比べて小型で持ち運びやすく、騒音も小さい。屋外や橋梁などの電源がない場所で使用する場合は、エンジン式の発電機を電源として使用することもできる。しかし、電源電圧が限られており、モータの大きさが制限されてしまうことから、作業中に生成できる圧縮空気の量に限界がある。タンク内を高圧にすることでタンク内に貯留可能な圧縮空気の量を多くする空気圧縮機も存在するが、このような空気圧縮機は、タンク内が高圧に達する際の電流値を基準にモータの特性が決められるため、負荷が軽い場合に適したモータの特性を有しているとはいえなかった。このため、使用する空気圧力が低いスプレーガンなどの機械に使用する場合であっても、タンク内が低圧となったときにスプレーガンの使用に圧縮空気の生成が追従できず、タンク内が高圧になるまで待つ必要があり、作業性が良くなかった。

そこで、本発明は、従来よりも圧縮空気の吐出量を増加させることができるモータ駆動式の空気圧縮機を提供することにより、モータ駆動式の空気圧縮機をスプレーガンなどの大量の圧縮空気を必要とする機械にも使用できるようにすることを課題とする。

本発明は、上記した課題を解決するためになされたものであり、モータと、前記モータにより駆動され、圧縮空気を生成する圧縮機構と、前記生成された圧縮空気を貯留するタンクと、前記圧縮機構にかかる負荷を取得する負荷取得部と、前記モータの回転を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記負荷取得部で取得した前記圧縮機構の負荷に応じて、前記モータのＴＮ特性を変更する制御を行うことを特徴とする。

本発明は上記の通りであり、制御部は、負荷取得部で取得した圧縮機構の負荷に応じて、モータのＴＮ特性を変更する制御を行う。このような制御によれば、圧縮機構の負荷に追従してモータの回転数を上げることができるので、小型のモータ駆動式の空気圧縮機であっても、圧縮空気の吐出量を増加させることができる。

すなわち、従来のモータ駆動式の空気圧縮機においては、モータのＴＮ特性が決まっているため、回転数を上げようとしても限界があった。この点、本発明によれば、空気圧縮機の駆動負荷に応じて（トルクに応じて）モータのＴＮ特性が変更されるので、もともとのモータの特性以上にモータの回転数を上げることができる。

これにより、低負荷時にモータの回転数を上げて圧縮空気の吐出量を増加させることができる。例えば、スプレーガンを空気圧縮機に接続して使用している場合、圧縮空気の残りが少なくなるとタンクの内圧が低下する。本発明では、このようにタンクの内圧が低下すると、これに追従してモータのＴＮ特性が変更されるため、モータの回転数が上がって圧縮空気の吐出量が増加することで、充填時間を短縮することができる。そして、圧縮空気が充填されてタンクの内圧が上がっていくと、これに追従してモータのＴＮ特性が復元される（もともとの特性に戻される）ため、モータを最適な効率で駆動させることができる。このため、タンクの内圧が低い低負荷時には、回転数を上げて吐出量を向上させるとともに、タンクの内圧が高い高負荷時には、モータを効率的に駆動させることで性能を維持することができる。

空気圧縮機の外観図である。 空気圧縮機の平面図である。 本体カバーを取り外した空気圧縮機の平面図である。 本体カバーを取り外した空気圧縮機のエア取り出し口付近の側面図である。 空気圧縮機のシステムの概要を示すブロック図である。 弱め界磁制御のフロー図である。 目標回転数設定処理のフロー図である。 弱め界磁制御によるモータ特性の変化を示す図である。 変形例１に係る図であって、モード切替のタイミングを示す図である。 変形例２に係る図であって、（ａ）エア取り出し口付近の平面図、（ｂ）エア取り出し口付近の側面図である。 変形例３に係る図であって、（ａ）エア取り出し口付近の平面図、（ｂ）エア取り出し口付近の側面図である。

本発明の実施形態について、図を参照しながら説明する。

本実施形態に係る空気圧縮機１０は、可搬型コンプレッサであり、図１及び図２に示すように、本体カバー１７で覆われた機構部と、この機構部の下方に配置された２本のタンク１５と、を備えている。

機構部は、図３に示すように、モータ１１、ファン１２、圧縮機構、制御基板（制御部３０）、などで構成されている。

モータ１１は、環状のステータの内側にロータを配置したインナーロータ型の三相ブラシレスＤＣモータである。このモータ１１は、後述する制御部３０から出力されるＰＷＭ信号によって回転が制御される。モータ１１は、後述する位置センサ３６と、サーミスタ３８を備える。モータ１１に流れる電流は、交流電源からの交流電流を直流電流に変換して供給される。本実施例では、空気圧縮機１０の出力が１．５ＫＷであり、空気圧縮機１０に供給される交流電流は１５Ａが上限となる。そのため、モータ１１は、直流電流に変換する前の交流電流で１５Ａを上限値として制御される。

ファン１２は、機構部の内部に冷却風を導入してモータ１１などの発熱部品を冷却するためのものである。このファン１２は、モータ１１の回転軸に固定されており、モータ１１が駆動したときに一体的に回転するように構成されている。

圧縮機構は、モータ１１によって駆動して圧縮空気を生成するためのものであり、ピストンを往復動させることでシリンダ内に導入された空気を圧縮する公知の構造を使用することができる。本実施形態に係る空気圧縮機１０は、一次圧縮機構１３と二次圧縮機構１４の２つの圧縮機構を備えた多段圧縮機である。すなわち、外部から供給された空気は、まず一次圧縮機構１３によって圧縮される。一次圧縮機構１３によって圧縮された空気は、二次圧縮機構１４に導入され、二次圧縮機構１４によって更に圧縮される。このように二段階で圧縮された空気は、タンク１５に送られて貯留される。

タンク１５は、圧縮機構で生成された圧縮空気を貯留するためのものである。本実施形態に係る空気圧縮機１０は、２本のタンク１５を備えている。２本のタンク１５は、空気圧縮機１０の長手方向に沿って、互いに平行に配置されている。

このタンク１５に貯留された圧縮空気は、減圧弁１６を通過することで任意の圧力に減圧されて、エア取り出し口から外部に取り出すことができる。例えば、スプレーガンなどの外部機器を接続したエアホースをエア取り出し口に接続することで、タンク１５内の圧縮空気を外部機器に供給することができる。

本実施形態においては、図４に示すように、エア取り出し口として、第１のエアカプラ２１と、第２のエアカプラ２２と、の２つのエアカプラが上下に配置されている。これらのエアカプラは、本体カバー１７の正面から外部に突出して設けられている。このエアカプラは、雌型のカプラであり、対応する雄型のカプラを容易に着脱できるように構成されている。このため、雄型のカプラを取り付けたエアホースを雌型のカプラ（エア取り出し口）に取り付けることで、空気圧縮機１０に貯留された圧縮空気をエアホースを介して取り出し可能に構成されている。例えば、第１のエアカプラ２１は、スプレー等の定常流が用いられる機器に対応した、比較的小径のカプラであり、第２のエアカプラ２２は、大量の圧縮空気を消費する機器の使用に適した大径ホース用カプラである。

なお、第１のエアカプラ２１は第２のエアカプラ２２よりも小型軽量であり、小型のスプレーガンの接続に用いられる。一方、第２のエアカプラ２２は、例えば、貯留する圧縮空気を増やすために用いられる、増設タンクの接続に用いられる。増設タンクを接続すれば、圧縮空気の容量が増加し、連続作業の時間を延長することができる。また、増設タンクは空気圧縮時に発生するドレンの分離に効果を発揮するので、乾燥した圧縮空気が必要な塗装作業に多く用いられている。また、ミストセパレータを接続すれば、圧縮空気中に含まれる水分、油分、塵等を分離して、塗装に適した圧縮空気を供給することが可能になるので、ミストセパレータを取り付け可能なカプラを、第２のエアカプラ２２として設けてもよい。また、第２のエアカプラ２２は釘打機等の空圧工具を接続して、空圧工具に断続的に大流量の圧縮空気を供給することも可能である。

建築塗装の現場では、作業者の移動が多く、床に引き回されたホースに作業者の足がかかってしまい、不意に空気圧縮機１０が引っ張られて転倒してしまう可能性があった。このため、この第１のエアカプラ２１と第２のエアカプラ２２は、図３等に示すように、空気圧縮機１０の長手方向に沿って突出している。言い換えると、この第１のエアカプラ２１と第２のエアカプラ２２の軸方向は、タンク１５の長手方向と等しくなるように配置されている。このような配置とすることで、エア取り出し口に接続したエアホースが引っ張られたとしても、空気圧縮機１０が容易に転倒しないようになっている。

また、この第１のエアカプラ２１と第２のエアカプラ２２は、図４に示すように、種類が異なっており、大きさも異なっている。そして、第１のエアカプラ２１よりも大きい第２のエアカプラ２２が、第１のエアカプラ２１よりも下方に配置されている。このような配置とすることで、重心が低くなり、空気圧縮機１０が転倒しにくくなっている。

ここで、本実施形態においては、２本のタンク１５の内部が互いに連通しており、２本のタンク１５のうちの１本に、上記した減圧弁１６およびエア取り出し口（第１のエアカプラ２１と第２のエアカプラ２２）が設けられている。

ただし、これに限らず、２本のタンク１５のどちらにも減圧弁１６およびエア取り出し口を設けるようにしてもよい。本実施形態においては、図３に示すように、２本のタンク１５のどちらにも減圧弁１６およびエア取り出し口を接続可能な接続部２３が設けられている。しかしながら、あえて片方の接続部２３にのみ減圧弁１６およびエア取り出し口を設けることで、部品点数を減らしている。

なお、この接続部２３は、本体カバー１７の内側に配置されている。ただし、接続部２３に減圧弁１６およびエア取り出し口を取り付ける場合には、これらの減圧弁１６およびエア取り出し口を本体カバー１７の外部に突出させる必要がある。このため、本体カバー１７において、接続部２３に臨む位置には、減圧弁１６およびエア取り出し口を突出させるための開口部が形成されている。この開口部は、２つの接続部２３のそれぞれに対応して左右の両側に形成されている。

本実施形態においては、使用していない接続部２３に臨む開口部は、図２に示すように、取り出し口カバー１８によって覆われている。この取り出し口カバー１８は本体カバー１７に対して着脱可能である。取り出し口カバー１８で塞がれた接続部２３を使用する場合には、取り出し口カバー１８を取り外し、減圧弁１６およびエア取り出し口を接続部２３に取り付ければよい。

上記した空気圧縮機１０の動作は、空気圧縮機１０に内蔵された制御部３０によって制御される。この制御部３０は、特に図示しないが、ＣＰＵを中心に構成され、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ等を備えている。そして、ＣＰＵがＲＯＭに記憶されたプログラムを読み込むことで、各種の入力装置及び出力装置を制御するように構成されている。本実施形態においては、図３に示すように、タンク１５の上方に配置された制御基板によって、制御部３０が構成されている。

この制御部３０の入力装置としては、図５に示すように、操作スイッチ３１、圧力センサ３３、電流センサ３４、電圧センサ３５、位置センサ３６、サーミスタ３８、が設けられている。なお、入力装置としては、これらの入力装置に限定されず、他の入力装置を備えていてもよい。詳細は後述するが、本実施の形態では、圧力センサ３３、電流センサ３４、位置センサ３６は圧縮機構の駆動負荷を取得する負荷取得部として機能する。

操作スイッチ３１は、ユーザが操作可能な各種のスイッチである。ここでは詳しく説明しないが、例えば、電源のオンオフを行うスイッチや、運転モードの切り替えを行うスイッチなどの複数種類の操作スイッチ３１を設けてもよい。この操作スイッチ３１は、本体カバー１７の表面に設けられた操作パネル１９（図１参照）に、押下操作可能に配置されている。

圧力センサ３３は、タンク１５の内圧を計測するタンク内圧取得部である。この圧力センサ３３が検出した圧力値は制御部３０に送信される。制御部３０は、圧力センサ３３から取得した圧力値を基に、モータ１１の駆動開始または停止を制御する。具体的には、圧縮機構の駆動を開始させるための圧力値であるオン圧と、圧縮機構の駆動を停止するための圧力値であるオフ圧とが予め決められており、例えば、圧縮空気の使用によりタンク１５の内圧が下降し、タンク１５の内圧が予め設定されたオン圧まで低下した場合には、モータ１１を駆動して圧縮空気の充填を行う。また、モータ１１の駆動中に、タンク１５の内圧が予め設定されたオフ圧に到達したら、モータ１１の駆動を停止する。

電流センサ３４は、空気圧縮機１０の電源となる交流電源からの交流電流を検出するＡＣ電流センサ３４ａと、モータ１１に供給される直流電流を検出するＤＣ電流センサ３４ｂとから構成される。ＡＣ電流センサ３４ａは、交流電源から空気圧縮機１０に流れる交流電流を検出するためのものであり、空気圧縮機１０に流れる電流が上限値１５Ａを超えないように監視するために用いられる。ＤＣ電流センサ３４ｂは、モータ１１に供給される三相の電流値を検出するためのものである。このＤＣ電流センサ３４ｂの検出値は、制御部３０に送信され、後述する弱め界磁制御や、電子部品に流れる直流電流を監視する目的などに使用される。この電流センサ３４は、モータ１１の負荷を検出するモータ負荷検出部として機能する。

すなわち、モータ１１の一般的な特性として、トルクが上昇するに従って、電流値も徐々に上がっていく（図８（２）参照）。このようなモータ１１を、空気圧縮機１０に組み込んだ場合には、タンク１５の内圧が高くなれば、モータ１１のトルクが上昇するため、ＤＣ電流センサ３４ｂの電流値を参照することで、トルク、すなわちタンク１５の内圧を推定することができる。タンク１５の内圧を推定する具体的な方法としては、例えば、ＤＣ電流センサ３４ｂの電流値とタンク１５の内圧との関係を示す変換テーブルを予めＲＯＭに記憶しておき、この変換テーブルを使用してＤＣ電流センサ３４ｂの電流値をタンク１５の内圧に変換する手法を用いてもよい。また、タンク１５の内圧を推定する別の方法としては、ＤＣ電流センサ３４ｂの電流値をタンク１５の内圧に変換する計算式を予め作成しておき、この計算式にＤＣ電流センサ３４ｂの電流値を代入することで、タンク１５の内圧を推定する手法を用いてもよい。このような変換テーブルや計算式を用いた場合、ＤＣ電流センサ３４ｂおよび制御部３０は、タンク１５の内圧を取得するタンク内圧取得部として機能する。

電圧センサ３５は、モータ１１に供給される一次側の電圧値を検出するためのものである。この電圧センサ３５の検出値は、制御部３０に送信され、後述する弱め界磁制御などに使用される。

位置センサ３６は、モータ１１の回転位置を検出するためのものである。この位置センサ３６は、ホールＩＣなどで構成されており、モータ１１（ロータ）の回転を検出したときに制御部３０に信号を出力するように構成されている。制御部３０は、この位置センサ３６からの信号を解析することでモータ１１の回転数（ｒｐｍ）を算出することができる。

サーミスタ３８は、モータ１１の温度を検出するためのものである。このサーミスタ３８で検出された温度は、モータ１１の制御を補正するために用いられる。

なお、モータ１１は巻き線抵抗からモータ１１の回転角度の検出を行っている。サーミスタ３８により、モータ１１の巻き線抵抗の温度変化を検出し、検出された温度変化に基き、モータ１１の回転角度の検出を補正してもよい。

また、制御部３０の出力装置としては、図５に示すように、モータ１１、表示部３２、が設けられている。なお、出力装置としては、これらの出力装置に限定されず、他の出力装置を備えていてもよい。

モータ１１は、上述したように圧縮機構を作動させる動力源となるものである。制御部３０は、ＰＷＭ制御によりモータ１１の回転を制御する。

表示部３２は、ユーザに向けて各種の情報を表示するためのものである。例えば、７セグメントディスプレイや液晶画面、ＬＥＤなどの表示装置である。本実施形態に係る表示部３２は、本体カバー１７の表面に設けられた操作パネル１９に設けられている。

ここで、本実施形態に係る制御部３０は、タンク１５の内圧に応じて、モータ１１のＴＮ特性を変更する制御を行うように構成されている。具体的には、制御部３０は、弱め界磁制御によりモータ１１のＴＮ特性を変更するように構成されている。

従来のモータ駆動式の空気圧縮機１０においては、モータ１１のＴＮ特性が決まっているため、回転数を上げようとしても限界があった。この点、タンク１５の内圧に応じて（トルクに応じて）モータ１１のＴＮ特性を変更するようにすれば、もともとのモータ１１の特性以上にモータ１１の回転数を上げることができる。

これにより、低負荷時にモータ１１の回転数を上げて圧縮空気の吐出量を増加させることができる。例えば、スプレーガンを空気圧縮機１０に接続して使用している場合、圧縮空気の残りが少なくなるとタンク１５の内圧が低下する。このようにタンク１５の内圧が低下したときに、これに追従してモータ１１のＴＮ特性を変更することで、モータ１１の回転数を上げて圧縮空気の充填時間を短縮することができる。そして、圧縮空気が充填されてタンク１５の内圧が上がっていくと、これに追従してモータ１１のＴＮ特性が復元される（もともとの特性に戻される）ため、モータ１１を最適な効率で駆動させることができる。このため、タンク１５の内圧が低い低負荷時には、回転数を上げて吐出量を向上させるとともに、タンク１５の内圧が高い高負荷時には、モータ１１を効率的に駆動させることで性能を維持することができる。

この弱め磁界制御は、図６に示すような処理フローに従って制御部３０によって実行される。なお、この図６に示す処理は、周期ハンドラに登録されるなどして、一定時間ごとに実施される。本実施形態においては、１２５μｓごとに、この図６に示す処理が実行される。

まず、図６に示すステップＳ１００において、ＤＣ電流センサ３４ｂを使用してモータ１１への供給電流をモータ１１の負荷として取得する。そして、ステップＳ１０５に進む。

ステップＳ１０５では、ステップＳ１００で取得した電流値をｄｑ変換して、回転座標系のｄ軸電流値Ｉｄと、ｑ軸電流値Ｉｑとを取得する。そして、ステップＳ１１０に進む。

ステップＳ１１０では、ステップＳ１０５で取得したＩｄおよびＩｑを基に、ｄ軸電圧値Ｖｄとｑ軸電圧値Ｖｑを演算する。そして、ステップＳ１１５に進む。

ステップＳ１１５では、電圧センサ３５を使用して取得したモータ１１への供給電圧値の１／２と、ステップＳ１１０で演算したＶｄおよびＶｑの絶対値とを比較する。そして、後者の方が大きい場合には、ステップＳ１２０へ進む。それ以外の場合には、ステップＳ１２５に進む。

ステップＳ１２０に進んだ場合、Ｉｄの指令値を算出する。具体的には、モータ１１への供給電圧値から、ＶｄおよびＶｑの絶対値を引いた値に対して、所定の比例ゲインをかけることで、Ｉｄの指令値を算出する。このＩｄの指令値はマイナスの値となる。そして、ステップＳ１３０に進む。

ステップＳ１２５に進んだ場合、Ｉｄの指令値に０を設定する。そして、ステップＳ１３０に進む。

ステップＳ１３０では、Ｉｄの指令値を使用して弱め界磁制御が実行される。すなわち、Ｉｄの指令値の分だけ、ｄ軸にマイナスの電流が流されることにより、モータ１１の進角を進める方向にずらす制御が実行される。ただし、Ｉｄの指令値が０である場合には弱め界磁制御は実行されない。

このとき、実際には、種々のパラメータを参照してＩｑの指令値が設定され、Ｉｄの指令値とＩｑの指令値とを基に電圧指令値が演算され、この電圧指令値をＵＶＷの三相に変換した値を使用してＰＷＭ制御が実行される。

また、ＰＷＭの出力を決定する際には、モータ１１の回転数および電流値が、予め定められた上限値を超えないようにフィードバック制御が実行される。本実施形態においては、モータ１１の回転数の上限値は３４００ｒｐｍに設定されており、この上限値を越えないように出力が制御される。また、本実施形態においては交流電流の上限値は１５Ａに設定され、ＡＣ電流センサ３４ａで電流値を検出することでこの上限値を越えないように出力が制御される。

具体的には、図７に示すような目標回転数設定処理が実行される。なお、この図７に示す処理は、周期ハンドラに登録されるなどして、一定時間ごとに実施される。本実施形態においては、４０ｍｓごとに、この図７に示す処理が実行される。

まず、図７に示すステップＳ２００において、モータ１１の回転数が算出される。モータ１１の回転数は、一定時間における位置センサ３６の検出回数から算出することができる。モータ１１の回転数を算出したら、ステップＳ２０５へ進む。

ステップＳ２０５では、ＡＣ電流センサ３４ａを使用して、直流電流値を取得する。そして、ステップＳ２１０に進む。

ステップＳ２１０では、直流電流値が上限値（１５Ａ）を越えているかがチェックされる。直流電流値が１５Ａを越えている場合には、ステップＳ２１５へ進む。一方、直流電流値が１５Ａ以下である場合には、ステップＳ２２０に進む。

ステップＳ２１５に進んだ場合、モータ１１の目標回転数を予め定められた分だけ減少させる。これにより、以降のモータ１１の制御においては、この目標回転数での回転を目指した制御が実行される。そして、目標回転数設定処理が終了する。

ステップＳ２２０に進んだ場合、直流電流値が上限値付近（１４．５Ａ以上）ではなく、かつ、ステップＳ２００で算出したモータ１１の回転数が上限値（３４００ｒｐｍ）未満であるかがチェックされる。直流電流値が１４．５Ａ未満であり、かつ、モータ１１の回転数が３４００ｒｐｍ未満である場合には、ステップＳ２２５へ進み、それ以外の場合には、目標回転数設定処理が終了する。

ステップＳ２２５に進んだ場合、モータ１１の目標回転数を予め定められた分だけ増加させる。これにより、以降のモータ１１の制御においては、この目標回転数での回転を目指した制御が実行される。そして、目標回転数設定処理が終了する。

以上のような制御により、交流電流が上限値である１５Ａを越えない範囲において、できる限り目標回転数が高く設定される。

なお、図８（１）を参照するとわかるように、本実施の形態のモータ１１は、弱め界磁制御を行うとモータトルクが３Ｎ・ｍ付近（Ｐ１）で、交流電流の上限値１５Ａに達してしまう。よって、トルクがＰ１を超えるときには、電流値の制御によるモータ１１回転数の制御を行うことができない。しかし、Ｐ１より小さいトルク領域では、交流電流の上限値の１５Ａに達するまで余裕があるため、余裕分の電流を用いて弱め界磁制御を行っている。

上記したような弱め界磁制御を行うことで、タンク１５の内圧に応じてモータ１１のＴＮ特性が変更され、回転数を上げることができる。

上記したような制御により、モータ１１は図８に示すような特性を示す。なお、この図８は、モータ１１のＴＩ特性（トルクと電流との関係を示す特性）およびＴＮ特性（トルクと回転数との関係を示す特性）を示す表であり、（１）は弱め界磁制御ありのＴＩ特性、（２）は弱め界磁制御なしのＴＩ特性、（３）は弱め界磁制御ありのＴＮ特性、（４）は弱め界磁制御なしのＴＮ特性を示している。また、図８に、モータ１１が空気圧縮機１０に組み込まれた際に、モータ１１に生じるトルクに対応したタンク１５の内圧（ゲージ圧）が、０ＭＰａを示す縦線と、４．４ＭＰａを示す縦線が示されている。

本実施形態に係る弱め界磁制御おいては、モータ１１の電流値を取得し（図６のステップＳ１００参照）、これによりタンク１５の内圧を推定している。そして、モータ１１の電流値が高くなるに従って（タンク１５の内圧が高くなるに従って）、弱め界磁が次第に強くなる（モータ１１の進角を進める度合いが強くなる）ように構成されている。すなわち、モータ１１のＴＮ特性に従って回転数が下降する分を、弱め界磁制御により一定回転（本実施例では３４００ｒｐｍ）で安定するように引き上げるように構成されている。

このように弱め界磁を行うことで、（３）に示すように、モータ１１のもともとの特性（（４）参照）を越えてモータ１１の回転数を上げることができる。ただし、本実施形態においては回転数が３４００ｒｐｍで安定するように制御されるため、これを越えて回転数が上がることはない。また、回転数が上がることで、モータ１１のもともとの特性よりも電流値が上がるが、本実施形態の空気圧縮機１０の電流値の上限が１５Ａであるため、これを越えないように制御される（（１）参照）。電流値１５Ａの上限に達した後（Ｐ１よりもトルクが高い領域）は、（３）に示すように、もとの（４）のＴＮ特性が示す回転数の近づくようにモータ１１の回転数を下げる制御を行う。言い換えると、モータ１１の回転数を徐々に下げる制御をすることで、負荷が増しても、電流値が１５Ａを維持するようにしている。

なお、本実施形態では、タンク１５の内圧が０．８ＭＰａ程度（Ｐ１参照）となったときに、電流の上限値１５Ａに達するように設定されている。すなわち、タンク１５の内圧が０．８ＭＰａ程度となったときに、モータ１１の制御が変更されるように構成されている。

具体的には、図８のＰ１が示すラインよりもトルクが高くなった場合、電流の上限値１５Ａに達する。このようにトルクがＰ１よりも高い場合（タンク１５の内圧が所定の値よりも高い場合）には、トルクが高くなるに従って弱め界磁を弱めるようにモータ１１が制御される。一方、トルクがＰ１よりも低い場合（タンク１５の内圧が所定の値よりも低い場合）には、トルクが高くなるに従って弱め界磁を強めるようにモータ１１が制御される。

なお、本実施形態においては制御が切り替わるタンク１５の内圧（Ｐ１）を０．８ＭＰａに設定しているが、この設定は０．８ＭＰａに限られるものではない。ただし、低負荷の圧力帯として、タンク１５の内圧が０．５ＭＰａ〜１．５ＭＰａの範囲で１５Ａに達するように設定することが望ましい。

以上説明したように、本実施形態に係る制御部３０は、タンク１５の内圧に応じて、モータ１１のＴＮ特性を変更する制御を行う。このような制御によれば、タンク１５の内圧に追従してモータ１１の回転数を上げることができるので、小型のモータ１１駆動式の空気圧縮機１０であっても、圧縮空気の吐出量を増加させることができる。

なお、本実施形態では、ＤＣ電流センサ３４ｂで検出したモータ１１に流れる直流電流からタンク１５の内圧を推定したが、ＡＣ電流センサ３４ａで検出した空気圧縮機１０に流れる交流電流からタンク１５の内圧を推定することも可能である。また、圧力センサ３３を使用して、直接タンク１５の内圧を取得してもよい。また、電流センサ３４を使用する代わりに、位置センサ３６を用いてモータ１１の回転数を検出し、これにより空気圧縮機１０の駆動負荷を推定するようにしてもよい。

（変形例１）
変形例１は、タンク１５の内圧（トルク）を参照して通常モードと追従モードとを切り替えて制御するものであり、上記した実施形態とは異なる方法でモードを切り替える構成である。

この変形例１に係る空気圧縮機１０は、タンク１５の内圧にかかわらずモータ１１のＴＮ特性を一定に保つ通常モードと、タンク１５の内圧に応じてモータ１１のＴＮ特性を変更する追従モードと、を備える。

このうち、通常モードは、弱め界磁制御なしの制御モード（または、進角制御が一定である制御モード）である。この通常モードが適用される圧力帯では、モータ１１のＴＮ特性が一定に保たれるため、タンク１５の内圧（トルク）が変動してもモータ１１のＴＮ特性は変更されない。

一方、追従モードは、弱め界磁制御ありの制御モード（または、進角制御が変動する制御モード）である。この追従モードが適用される圧力帯では、タンク１５の内圧（トルク）に応じてモータ１１のＴＮ特性が変更される。なお、ＴＮ特性の変更方法は上記した実施形態と同様であり、モータ１１の電流値に追従して進角が調整されるようにすればよい。

図９は、この変形例１に係る空気圧縮機１０にスプレーガンを接続して使用した場合の、タンク１５内圧の変化を示す図である。この図９において（ａ）（ｃ）（ｅ）（ｇ）の領域が示すように、スプレーガンが使用されると、圧縮空気が消費されてタンク１５の内圧が低下する。また、この図９において（ｂ）（ｄ）（ｆ）（ｈ）の領域が示すように、圧縮空気がある程度まで消費され、タンク１５の内圧がオン圧まで低下すると圧縮機構が駆動されるので、スプレーガンの使用が中断しているときなどにはタンク１５の内圧が上昇する。しかし、スプレーガンが断続的に使用されることで徐々にタンク１５の内圧が低下していくので、最終的には圧縮空気が不足する場合がある。

このとき、圧縮空気の残量が少なくなり、タンク１５の内圧が低下すると、モータ１１のトルクは低下するため、回転数を上げることができる。しかしながら、高負荷帯に最適化されたモータ１１を使用している場合、モータ１１の特性上、低負荷帯でモータ１１の回転数を上げようとしても限界がある。

このため、本変形例においては、低負荷帯で弱め界磁制御を行うことにより、モータ１１の回転数を上げられるようにしている。

具体的には、本変形例においては、予め定められた所定のレベル（図９のＰ２参照）よりもタンク１５の内圧が高い場合には、モータ１１のもともとの特性を活かして（弱め界磁制御を行わずに）、効率的な制御を行う。一方、予め定められた所定のレベル（Ｐ２）よりもタンク１５の内圧が低下すると、弱め界磁制御を行うことにより、モータ１１の回転数を上げる制御を行う。これにより、図９に示すように、タンク１５の内圧がＰ２まで低下する前の状態では、通常モードで制御が実行され、タンク１５の内圧がＰ２よりも低下した場合には追従モードで制御が実行されるようになっている。所定のレベル（Ｐ２）は、スプレーガンの使用圧力である０．３〜０．５ＭＰａより高い圧力として、例えば１ＭＰaに設定される。これは、タンク１５の内圧がスプレーガンの使用圧力まで下がってから弱め界磁制御を行うのでは圧縮空気の生成が間に合わないため、圧縮空気が不足しないように余裕を持たせるためである。

また、このように弱め界磁制御を実行しているときに、予め定められた所定のレベル（Ｐ３）よりもタンク１５の内圧が高くなると、弱め界磁制御を終了して、追従モードから通常モードへと制御が切り替わるようになっている。このＰ３は、Ｐ２よりも高く設定され、例えば１．５ＭＰａに設定される。なお、スプレーガンの使用中は、タンク１５の内圧は徐々に減少を続けるため、Ｐ２よりも高いＰ３を検出したということは、スプレーガンの使用が中止されたと推定できる。言い換えると、スプレーガンの使用が中止されたと推定されたときに、追従モードから効率を重視した通常モードへと切り替えるように構成されている。

図９の例で説明すれば、（ｅ）の領域で見られるように圧縮空気が使用されてタンク１５の内圧がＰ２を超えて低下すると、Ｐ２を超えたタイミング（Ｔ１）で制御が切り替わる。これにより、弱め界磁制御が実行されて、回転数を上げる制御が実行される。

そして、（ｈ）の領域で見られるように圧縮空気が充填されてタンク１５の内圧がＰ３を超えて高くなると、Ｐ３を超えたタイミング（Ｔ２）で通常モードに制御が切り替わる。これにより、弱め界磁制御が解除されて、効率を重視した制御が実行される。

なお、タンク１５の内圧の取得する方法としては、上述のように、モータ１１の電流値からタンク１５の内圧を推定する方法を用いてもよいし、圧力センサ３３でタンク１５の内圧を直接検出する方法を用いてもよい。また、位置センサ３６を用いて、モータ１１の回転数を検出することで空気圧縮機１０の負荷を検出するようにしてもよい。

また、モードの切り替えに使用する圧力値Ｐ２およびＰ３は、固定値であってもよいし、変動する値であってもよい。Ｐ２およびＰ３を変動させる場合には、圧縮空気の使用量に応じて変動するようにしてもよい。例えば、圧力センサ３３の検出値から圧縮空気の使用量を算出することで、圧縮空気の使用量が多い場合にはＰ２の値を高く設定してもよい。また、Ｐ２およびＰ３の値を、ユーザが操作パネル１９を使用して任意の値に設定できるようにしてもよい。このように構成すれば、使用する工具（スプレーガン）や作業量に応じて、ユーザが任意の制御を選択することができる。

このような構成によれば、タンク１５内に高圧のエアを素早く充填させるために高負荷帯に最適化されたモータ１１を使用している場合でも、低負荷帯での回転数を上げることができ、低圧の圧縮空気が用いられるスプレーガンなどを使用する場合でも、エア不足が発生しにくくなる。

（変形例２）
第１のエアカプラ２１と第２のエアカプラ２２とは、図１０に示すように、長さ（突出量）が異なっていてもよい。例えば、第１のエアカプラ２１よりも大きい第２のエアカプラ２２を、第１のエアカプラ２１の下方に配置するとともに、第１のエアカプラ２１よりも大きく突出するようにしてもよい。このように構成することで、空気圧縮機１０が転倒しにくいだけではなく、第１のエアカプラ２１と第２のエアカプラ２２との接続位置がオフセットされるので、エアホースを着脱しやすくすることができる。

（変形例３）
第１のエアカプラ２１と第２のエアカプラ２２とは、図１１に示すように、軸方向が異なるように設けられていてもよい。例えば、第１のエアカプラ２１の軸方向と、第２のエアカプラ２２の軸方向とで、鋭角が形成されるようにしてもよい。このように構成することで、第１のエアカプラ２１と第２のエアカプラ２２との接続位置がオフセットされるので、エアホースを着脱しやすくすることができる。

（変形例４）
空気圧縮機１０は、タンク１５の内圧が所定値以下に低下したことを検出した際に、そのことを報知する報知部を備えても良い。報知部の例としては、スピーカ３７による音声による報知や、表示部３２に表示させるものであってもよい。また、圧縮機構の圧縮空気の取り出し経路中（例えば減圧弁の下流とか、エアカプラの上流側など）に、経路を開閉する電磁弁等を設け、タンク１５の内圧が所定値以下に低下した際に、圧縮空気の経路を電磁弁により遮断し、圧縮空気の供給が止まることで使用者にタンク１５の内圧が低下したことを促すものであってもよい。これにより、圧力が低下した状態で塗装が行われることを防止できるので、塗りムラなどの失敗を事前に防ぐことができる。

また、このように圧力が一定のレベル（第１のレベル）まで低下したときに報知をおこなうとともに、この第１のレベルよりも更に圧力が低下して、第２のレベルまで低下したときには、エア取り出し口への圧縮空気の供給を遮断するようにしてもよい。
[0] また、外部の通信端末（携帯電話やスマートフォンなど）を空気圧縮機１０と連携させ、圧力が低下したときに通信端末に信号を送信し、通信端末を使用して圧力低下を報知できるようにしてもよい。このような報知方法であれば、空気圧縮機１０から離れた場所で作業していても、確実に情報を得ることができる。

１０ 空気圧縮機
１１ モータ
１２ ファン
１３ 一次圧縮機構
１４ 二次圧縮機構
１５ タンク
１６ 減圧弁
１７ 本体カバー
１８ 取り出し口カバー
１９ 操作パネル
２１ 第１のエアカプラ（エア取り出し口）
２２ 第２のエアカプラ（エア取り出し口）
２３ 接続部
３０ 制御部
３１ 操作スイッチ
３２ 表示部（報知部）
３３ 圧力センサ（タンク内圧取得部）
３４ 電流センサ
３４ａ ＡＣ電流センサ（モータ負荷検出部）
３４ｂ ＤＣ電流センサ（モータ負荷検出部）
３５ 電圧センサ
３６ 位置センサ
３７ スピーカ（報知部）
３８ サーミスタ

Claims (9)

1. モータと、
   前記モータにより駆動され、圧縮空気を生成する圧縮機構と、
   前記生成された圧縮空気を貯留するタンクと、
   前記圧縮機構にかかる負荷を取得する負荷取得部と、
   前記モータの回転を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記負荷取得部で取得した前記圧縮機構の負荷に応じて、前記モータのＴＮ特性を変更する制御を行うことを特徴とする、空気圧縮機。
2. 前記制御部は、弱め磁界制御により前記モータのＴＮ特性を変更することを特徴とする、請求項１記載の空気圧縮機。
3. 前記制御部は、前記負荷取得部で取得した前記圧縮機構の負荷にかかわらず前記モータのＴＮ特性を一定に保つ通常モードと、前記タンクの内圧に応じて前記モータのＴＮ特性を変更する追従モードと、を切り替えて制御可能であることを特徴とする、請求項１または２記載の空気圧縮機。
4. 前記負荷取得部は、前記タンクの内圧を取得するタンク内圧取得部であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の空気圧縮機。
5. 前記負荷取得部は、前記モータの負荷を検出するモータ負荷検出部であり、
   前記制御部は、前記モータ負荷検出部の検出値からタンク内圧を推定し、推定したタンク内圧に応じて、前記モータのＴＮ特性を変更する制御を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の空気圧縮機。
6. 前記モータ負荷検出部は、前記モータの電流値を検出する電流センサを備えることを特徴とする請求項５に記載の空気圧縮機。
7. 前記制御部は、前記電流センサの電流値の増加に伴い、漸次弱め磁界制御を強めていくことを特徴とする請求項６に記載の空気圧縮機。
8. 前記制御部は、前記電流センサの電流値が、前記空気圧縮機に供給可能な電流の上限値に達するまでの間、弱め磁界制御を実行することを特徴とする請求項７に記載の空気圧縮機。
9. 前記タンク内圧取得部は、圧力センサであることを特徴とする請求項４に記載の空気圧縮機。