JP2021141747A

JP2021141747A - 電動圧縮機

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Publication number: JP2021141747A
Application number: JP2020038800A
Authority: JP
Inventors: 拓也成瀬; Takuya Naruse; 一記名嶋; Kazunori Najima
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2020-03-06
Filing date: 2020-03-06
Publication date: 2021-09-16
Anticipated expiration: 2040-03-06
Also published as: US20210281201A1; JP7363596B2; CN113364383A; DE102021201765A1; US11437945B2; CN113364383B

Abstract

【課題】冷媒を早く温めることができる電動圧縮機を提供する。【解決手段】電動モータ２３と、ハウジングと、圧縮部と、インバータ装置３１と、を備える。インバータ装置３１は、インバータ回路４０と、電流センサ４１，４２と、座標変換部６５と、速度制御部６１と、電流制御部６４と、ＰＷＭ制御部７１と、回転角推定部６９と、を備える。速度制御部６１は、電動モータ２３を駆動させるための必要トルクが発生するようｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を生成する。インバータ装置３１は、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を変更することにより電動モータ２３の温度を上昇させる創熱電流指令部７０を備え、創熱電流指令部７０は、ｄ−ｑ座標系における定トルク曲線に沿ってｄ軸電流値Ｉｄが増加する方向へ推移するようｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を変更する。【選択図】図２

Description

本発明は、電動圧縮機に関するものである。

電気自動車等に搭載される車両用空調システムとして冷凍サイクル中に電動圧縮機を設け、電動圧縮機における圧縮部を電動モータで駆動し、電動モータをインバータで制御する際にベクトル制御することが行われている（例えば特許文献１）。

特開２０１７−１８４５９４号公報

ところで、冷凍装置における冷媒流路を一部切り替えることで、ヒートポンプやホットガスヒータといった暖房装置として運転する手法が知られている。このような暖房装置には暖房が効き始めるまでの時間を短縮することが望まれており、そのためには電動圧縮機によって早期に冷媒を昇温することが有用である。

本発明の目的は、冷媒を早く温めることができる電動圧縮機を提供することにある。

上記課題を解決するための電動圧縮機は、電動モータと、前記電動モータを収容するとともに冷媒を内部に導入する吸入口を有するハウジングと、前記電動モータによって駆動されて前記ハウジング内の冷媒を吸引圧縮する圧縮部と、前記電動モータを駆動するインバータ装置と、を備え、前記インバータ装置は、ｕ，ｖ，ｗの相毎の上下アームを構成するスイッチング素子を有し、前記スイッチング素子のスイッチング動作に伴い直流電圧を交流電圧に変換して前記電動モータに供給するインバータ回路と、電動モータに供給される電流の値を検出する電流センサと、前記電流センサの検出値をもとにｄ軸電流値とｑ軸電流値を算出する座標変換部と、前記電動モータに対する回転数指令値と回転数推定値との差に基づいてｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を生成する速度制御部と、前記ｄ軸電流指令値と前記ｄ軸電流値との差分に基づいてｄ軸電圧指令値を算出するとともに前記ｑ軸電流指令値と前記ｑ軸電流値との差分に基づいてｑ軸電圧指令値を算出する電流制御部と、前記ｄ軸電圧指令値と前記ｑ軸電圧指令値に基づいて前記スイッチング素子を制御するＰＷＭ制御部と、前記ｄ軸電流値、前記ｑ軸電流値、前記ｄ軸電圧指令値、前記ｑ軸電圧指令値に基づき、前記回転数推定値を算出する回転数推定部と、を備え、前記速度制御部は、前記電動モータを駆動させるための必要トルクが発生するようｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を生成する電動圧縮機において、前記インバータ装置は、前記ｄ軸電流指令値及び前記ｑ軸電流指令値を変更することにより前記電動モータの温度を上昇させる創熱電流指令部を備え、前記創熱電流指令部は、ｄ−ｑ座標系における定トルク曲線に沿ってｄ軸電流値が増加する方向へ推移するようｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を変更することを要旨とする。

これによれば、外部から冷媒昇温指令をうけた時において、ｄ−ｑ座標系における定トルク曲線に沿ってｄ軸電流値が増加する方向へ推移するようなｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値に基づいてスイッチング素子が制御されるので、電動モータの損失を増加させる制御が行われ電動モータで発生する熱で冷媒が加熱される。特に、ｄ軸電流値を増加させることにより、電動モータの鉄心における損失を増やすことができる。この際、ｄ軸電流及びｑ軸電流により電動モータに発生するトルクは一定であり、電動モータの回転数が安定するため、不要な騒音を生じることがない。これにより冷媒を早く温めることができる。

また、電動圧縮機において、前記創熱電流指令部は、前記回転数指令値と前記回転数推定値との偏差が閾値よりも大きい場合は、前記定トルク曲線に沿ってｄ軸電流値が減少する方向へ推移するよう前記ｄ軸電流指令値及び前記ｑ軸電流指令値を変更するとよい。

これによれば、入力電圧の低下や指令回転数の増加によって回転数指令値と回転数推定値との偏差が閾値よりも大きくなり、ｄ−ｑ座標系における電流ベクトルの大きさに制限が生じた場合に、定トルク曲線に沿ってｄ軸電流値が減少する方向へ推移するようｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を変更することにより前記回転数指令値と前記回転数推定値との偏差を小さくしつつ電動モータの損失を増加させる制御により電動モータで発生する熱で冷媒を加熱できる。

また、電動圧縮機において、前記創熱電流指令部は、ｄ−ｑ座標系において、電流上限円を、前記インバータ回路の構成部品の温度に対する制限電流値を超えない範囲で規定するとともに、前記電流上限円と前記定トルク曲線の交点へと推移するよう前記ｄ軸電流指令値及び前記ｑ軸電流指令値を変更するとよい。

これによれば、インバータ回路の構成部品の過熱を防止して、創熱電流指令部における定トルク曲線上の電流上限円との交点でのｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値の生成に伴う制御の継続が可能となる。

本発明によれば、冷媒を早く温めることができる。

実施形態における車載用電動圧縮機を模式的に示す一部破断図。インバータ装置の構成を示すブロック図。作用を説明するための動作フロー図。（ａ）は制御電流ベクトルの説明図、（ｂ）は電流波形図。創熱電流増加の推移を説明するための制御電流ベクトルの説明図。（ａ）は制御電流ベクトルの説明図、（ｂ）は電流波形図。Ｂ−Ｈカーブを示す図。制御電流ベクトルの説明図。創熱電流増加の推移を説明するための制御電流ベクトルの説明図。作用を説明するための動作フロー図。制御電流ベクトルの説明図。定トルク曲線上の損失分布図。作用を説明するための動作フロー図。制限電流マップを示す図。定トルク曲線上の損失分布を示す図。制御電流ベクトルの説明図。

以下、本発明を車載用電動圧縮機に具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
本実施形態の車載用電動圧縮機は車両空調装置（カーエアコン）に用いられるものであって、ヒートポンプ方式を使っており、ヒートポンプ方式では冷媒が循環する冷凍サイクル中に蒸発器と車載用電動圧縮機と凝縮器と膨張弁が設けられ、蒸発器で冷媒が外気で温められて気化し、車載用電動圧縮機で圧縮され、凝縮器で冷媒の液化及び空気の加熱が行われ、膨張弁で冷媒の圧力が下がり温度も下がる。この冷凍サイクルでの蒸発器において外気から吸熱して冷媒が加温されて当該冷媒で凝縮器での室内空気との熱交換により車室内を暖房することができる。

図１に示すように、車両空調装置１０は、車載用電動圧縮機２０と、車載用電動圧縮機２０に対して冷媒を供給する外部冷媒回路１００とを備えている。外部冷媒回路１００は、蒸発器、凝縮器、膨張弁などを有している。車両空調装置１０は、車載用電動圧縮機２０によって冷媒が圧縮され、且つ、外部冷媒回路１００によって冷媒の熱交換及び膨張が行われることによって、車両の室内の冷暖房を行う。

車両空調装置１０は、当該車両空調装置１０の全体を制御する空調ＥＣＵ１０１を備えている。空調ＥＣＵ１０１は、車内温度や設定温度等を把握可能に構成されており、これらのパラメータに基づいて、車載用電動圧縮機２０に対してオン／オフ指令等といった各種指令を送信する。

車載用電動圧縮機２０は、外部冷媒回路１００から冷媒を内部に導入する吸入口２１ａを有するハウジング２１と、ハウジング２１内に収容された圧縮部２２及び電動モータ２３とを備えている。

ハウジング２１は、全体として略円筒形状である。ハウジング２１には、冷媒が吐出される吐出口２１ｂが形成されている。
圧縮部２２は、ハウジング２１内の冷媒を吸引圧縮し、その圧縮された冷媒を吐出口２１ｂから吐出させるものである。圧縮部２２の具体的な構成は、スクロールタイプ、ピストンタイプ、ベーンタイプ等任意である。

電動モータ２３は、三相モータであって、圧縮部２２を駆動させるものである。電動モータ２３は、ハウジング２１に対して回転可能に支持された円柱状の回転軸２６と、当該回転軸２６に対して固定された円筒形状のロータ２４と、ハウジング２１に固定されたステータ２５とを有する。ロータ２４は、磁石２４ａが埋設された円筒形状のロータコア２４ｂを有している。磁石２４ａは永久磁石である。回転軸２６の軸線方向と、円筒形状のハウジング２１の軸線方向とは一致している。ステータ２５は、円筒形状のステータコア２５ａと、当該ステータコア２５ａに形成されたティースに捲回されたコイル２５ｂとを有している。ロータ２４及びステータ２５は、回転軸２６の径方向に対向している。

車載用電動圧縮機２０は、電動モータ２３を駆動させるインバータ装置３１と、当該インバータ装置３１が収容されたケース３２とを有するインバータユニット３０を備えている。電動モータ２３のコイル２５ｂとインバータ装置３１とは電気的に接続されている。ケース３２は、固定具としてのボルト３３によってハウジング２１に固定されている。すなわち、本実施形態の車載用電動圧縮機２０には、インバータ装置３１が一体化されている。

インバータ装置３１は、回路基板３４と、当該回路基板３４と電気的に接続されたパワーモジュール３５とを備えている。回路基板３４には、各種電子部品が実装されている。ケース３２の外面にはコネクタ３６が設けられており、回路基板３４とコネクタ３６とが電気的に接続されている。コネクタ３６を介してインバータ装置３１に電力供給が行われるとともに、空調ＥＣＵ１０１とインバータ装置３１とが電気的に接続されている。

このようにして、車載用電動圧縮機２０は、ハウジング２１内に、圧縮部２２と、圧縮部２２を駆動する電動モータ２３が配置されるとともにモータ２３に電力を供給するインバータ装置３１が一体化されている。そして、電動モータ２３により圧縮部２２が駆動されると冷媒が吸入口２１ａからハウジング２１内に吸入されて回転軸２６の軸線方向に冷媒が流れ電動モータ２３を通して圧縮部２２に吸入されて圧縮部２２で冷媒が圧縮された後に吐出口２１ｂから吐出される。ハウジング２１内を冷媒が流れるときに電動モータ２３と冷媒との間で熱交換可能となる。

図２に示すように、インバータ装置３１は、インバータ回路４０とインバータ制御装置５０を備えている。インバータ制御装置５０は、ドライブ回路５５と、制御部６０を備えている。

インバータ回路４０は、６つのスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６と６つのダイオードＤ１〜Ｄ６を有する。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６としてＩＧＢＴを用いている。正極母線Ｌｐと負極母線Ｌｎとの間に、ｕ相上アームを構成するスイッチング素子Ｑ１と、ｕ相下アームを構成するスイッチング素子Ｑ２が直列接続されている。正極母線Ｌｐと負極母線Ｌｎとの間に、ｖ相上アームを構成するスイッチング素子Ｑ３と、ｖ相下アームを構成するスイッチング素子Ｑ４が直列接続されている。正極母線Ｌｐと負極母線Ｌｎとの間に、ｗ相上アームを構成するスイッチング素子Ｑ５と、ｗ相下アームを構成するスイッチング素子Ｑ６が直列接続されている。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６にはダイオードＤ１〜Ｄ６が逆並列接続されている。正極母線Ｌｐ、負極母線Ｌｎには直流電源としてのバッテリＢが接続されている。

スイッチング素子Ｑ１とスイッチング素子Ｑ２の間が電動モータ２３のｕ相端子に接続されている。スイッチング素子Ｑ３とスイッチング素子Ｑ４の間が電動モータ２３のｖ相端子に接続されている。スイッチング素子Ｑ５とスイッチング素子Ｑ６の間が電動モータ２３のｗ相端子に接続されている。上下のアームを構成するスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を有するインバータ回路４０は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のスイッチング動作に伴いバッテリＢの電圧である直流電圧を交流電圧に変換して電動モータ２３に供給することができるようになっている。

各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のゲート端子にはドライブ回路５５が接続されている。ドライブ回路５５は、制御信号に基づいてインバータ回路４０のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６をスイッチング動作させる。

ｕ相用のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２間と電動モータ２３のｕ相端子との間に電流センサ４１が設けられている。ｖ相用のスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４間と電動モータ２３のｖ相端子との間に電流センサ４２が設けられている。このように、インバータ装置３１は、電動モータ２３に供給される電流の値を検出する電流センサ４１，４２を備える。

本実施形態では回転位置センサを用いておらず位置センサレス化が図られている。電動モータの回転角（回転位置）θは後記する回転角推定部６９において電動モータに流れるｄ軸電流値Ｉｄ及びｑ軸電流値Ｉｑと、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊から算出される。なお、ｄ軸はモータ内の永久磁石によって生じる磁束と同じ向きに磁束を発生させる電流の向きであり、ｑ軸はｄ軸からπ／２進んだ向きである。

制御部６０は、速度制御部６１と、減算部６２，６３，６８と、電流制御部６４と、座標変換部（３相／２相変換部）６５と、座標変換部（２相／３相変換部）６６と、ＰＷＭ発生部６７と、回転数推定値を算出する回転数推定部としての回転角推定部６９と、創熱電流指令部７０を備えている。座標変換部（２相／３相変換部）６６とＰＷＭ発生部６７とにより、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊とｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊に基づいてスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を制御するＰＷＭ制御部７１が構成されている。

座標変換部６５は、電流センサ４１，４２による電流検出値から電動モータに流れるｕ相電流Ｉｕ、ｖ相電流Ｉｖを検知するとともにｗ相電流Ｉｗを検知する。また、座標変換部６５は、ｕ相電流Ｉｕ、ｖ相電流Ｉｖ、ｗ相電流Ｉｗ、及び、回転角推定部６９により算出される電動モータの推定回転角（回転位置）θに基づいて、ｕ相電流Ｉｕ、ｖ相電流Ｉｖ及びｗ相電流Ｉｗをｄ軸電流値（励磁成分電流）Ｉｄ及びｑ軸電流値（トルク成分電流）Ｉｑに変換する。即ち、座標変換部６５は、電流センサ４１，４２の検出値をもとにｄ軸電流値Ｉｄとｑ軸電流値Ｉｑを算出する。なお、ｄ軸電流値（励磁成分電流）Ｉｄは電動モータ２３に流れる電流において、界磁を発生させるための電流ベクトル成分であり、ｑ軸電流値（トルク成分電流）Ｉｑは電動モータ２３に流れる電流において、トルクを発生させるための電流ベクトル成分である。

減算部６８は、上位ＥＣＵである空調ＥＣＵ１０１から入力される電動モータ２３に対する回転数指令値ω＊と、回転数推定値としての推定回転数ωとの差Δωを算出する。なお、推定回転数ωは、回転角推定部６９において演算される推定角速度に基づいて得られる。

速度制御部６１は、外部から入力される回転数指令値ω＊と推定回転数ωとの差Δωが０になるようにｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を算出する。即ち、速度制御部６１は、電動モータ２３に対する回転数指令値ω＊と回転数推定値としての推定回転数ωとの差Δωに基づいてｄ軸電流指令値及Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を生成する。

創熱電流指令部７０は、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊を加工してｄ軸電流指令値Ｉｄ＊＊として出力するとともに、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を加工してｑ軸電流指令値Ｉｑ＊＊として出力する。詳細は後述する。

減算部６２は、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊＊と、ｄ軸電流値Ｉｄとの差ΔＩｄを算出する。減算部６３は、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊＊と、ｑ軸電流値Ｉｑとの差ΔＩｑを算出する。電流制御部６４は、差ΔＩｄ及び差ΔＩｑに基づいてｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を算出する。即ち、電流制御部６４は、ｄ軸電流指令値とｄ軸電流値Ｉｄとの差分ΔＩｄに基づいてｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊を算出するとともにｑ軸電流指令値とｑ軸電流値Ｉｑとの差分ΔＩｑに基づいてｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を算出する。座標変換部６６は、回転角推定部６９により算出される電動モータの推定回転角（回転位置）θに基づいて、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を電動モータへの印加電圧である電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに変換する。

ＰＷＭ発生部６７は、電圧指令値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗをインバータの電源電圧値で規格化し、三角波との比較結果に基づいてインバータ回路４０の各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６をオン、オフさせるためのＰＷＭ制御信号を出力する。

つまり、制御部６０は、電動モータ２３に流れるｕ、ｖ、ｗの各相の電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗに基づいて電動モータ２３の回転数が目標値となるように電動モータ２３の電流経路に設けられたスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を制御する。ＰＷＭ発生部６７からの信号はドライブ回路５５に送られる。

回転角推定部６９は、ｄ軸電流値Ｉｄ、ｑ軸電流値Ｉｑ、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊に基づき、電動モータの推定回転角θおよび推定回転数（推定角速度）ωを演算（推定）する。

前述の速度制御部６１は、図４（ａ）に示すように、電動モータ２３を駆動させるための必要トルクが発生するようｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を生成する。つまり、最大トルク（最小銅損）曲線上の負荷トルクに対応する制御動作点上のｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を生成する。

速度制御部６１の後段の創熱電流指令部７０は、ヒートポンプにおいて外気温が低いとき外気から吸熱することが難しくなってしまうことを考慮して、暖房促進のため電動モータ２３で排熱させて冷媒を温めてやり暖房促進を図るべく図３に示す処理を実行する。またホットガスヒータにおいても同様の処理を実行して暖房促進のため電動モータ２３で排熱させて冷媒を温める。

インバータ装置３１に備えられた創熱電流指令部７０において、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を変更することにより電動モータ２３の温度を上昇させる。創熱電流指令部７０は、図５に示すｄ−ｑ座標系における定トルク曲線に沿ってｄ軸電流値Ｉｄが増加する方向へ推移するようｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を変更する。

図３において、ステップＳ１００で上位ＥＣＵである空調ＥＣＵ１０１から創熱制御指令、即ち、外部からの冷媒昇温指令としての冷媒の暖気指令があるか否か判定し、創熱制御指令（冷媒の暖気指令）があると、以下のようにして、ｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を熱を創り出すための値に変更させる。そのために、図５に示すように、制御動作点から定トルク曲線上の強め界磁側の電流上限円との交点でのｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を生成する。

まず図３のステップＳ１００からステップＳ１０１に移行して合成電流指令値の演算を行う。そして、ステップＳ１０２で合成電流指令値が電流上限値に対し余裕があると合成電流指令値が電流上限値を超えたか否か判定する。合成電流指令値が電流上限値を超えていないと、ステップＳ１０４でｄ軸電流値に操作量を加算する。一方、合成電流指令値が電流上限値を超えていると、ステップＳ１０３でｄ軸電流値に操作量を減算する。

図５を用いて説明すると、創熱電流を増加して銅損及び鉄損による熱に変換すべく制御動作点を創熱制御動作点にシフトする。即ち、制御動作点から定トルク曲線上の強め界磁側の電流上限円との交点でのｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を生成する。

具体的には、図３のステップＳ１０１において、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊とｑ軸電流指令値Ｉｑ＊とから次の（１）式により合成電流指令値Ｉｃ＊を算出する。

・・・（１）
図３のステップＳ１０３において、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊に基づいて次の（２）式により、図５のｄ軸電流操作量ΔＩｄ１分だけｄ軸電流指令値Ｉｄ＊を更新する。

・・・（２）
（２）式において、Ｉｄ＊ｂａが更新前のｄ軸電流指令値であり、Ｉｄ＊ｆｒが更新後のｄ軸電流指令値である。

図３のステップＳ１０４において、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊に基づいて次の（３）式により、図５のｄ軸電流操作量ΔＩｄ１分だけｄ軸電流指令値Ｉｄ＊を更新する。

・・・（３）
（３）式において、Ｉｄ＊ｂａが更新前のｄ軸電流指令値であり、Ｉｄ＊ｆｒが更新後のｄ軸電流指令値である。

そして、図３のステップＳ１００→ステップＳ１０１→ステップＳ１０２→ステップＳ１０４を繰り返すことにより、図５における最大トルク曲線上の制御動作点から創熱制御動作点にシフトすることになる。なお、図５における最大トルク曲線上の制御動作点から創熱制御動作点にシフトした後は、図３のステップＳ１００→ステップＳ１０１→ステップＳ１０２→ステップＳ１０３と、ステップＳ１００→ステップＳ１０１→ステップＳ１０２→ステップＳ１０４を繰り返す。

この時の考え方としては、回転数制御は、従来の速度制御部で演算されるｑ軸電流指令で実施し、上限電流値とｑ軸電流指令の差分がゼロとなるようにｄ軸に通電する。
電動圧縮機用の電動モータ２３は、冷媒によって冷却される構造になっている。そこで、電動モータ２３の損失を増加させる制御を行い、冷媒を早く温める。そうすることで、暖房が効き始めるまでの時間を短縮することができる。即ち、車両空調装置１０の低温下での起動時に暖房推進が図られる。

車載用電動圧縮機２０で採用している制御方式として最大トルク制御を採用しており、最大トルク制御とは、図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、モータ運転に必要なトルクに対して最小のモータ電流になる位相で制御する方式である。そのため、発生する銅損は、最小となり、冷媒暖気のための廃熱を稼ぐことができない。

ちなみに、モータ損失の内訳として、モータ損失は銅損と鉄損からなり、銅損はモータの巻線抵抗と電流により発生する損失である。鉄損は、ヒステリシス損（鉄心内の磁気抵抗と磁束の変化により発生する損失）と渦電流損（鉄心の電気抵抗と中に発生する渦電流により発生する損失）とで決まる。

本実施形態においては、図２に示すように、速度制御部６１の後段に、効率悪化電流指令部である創熱電流指令部７０を設けている。
そして、図６（ａ）に示すように、定トルク曲線と電流上限円（強め界磁方向）との交点を制御動作点とする。こうすることで、図６（ｂ）に実線で示すように、図６（ｂ）で破線で示す最小銅損となる場合のモータ電流に比べ、モータ電流が上昇する。よって、銅損が悪化する。つまり、図６（ａ）、図６（ｂ）に示すように、モータ電流増加により銅損を悪化させることができる。

また、定トルク曲線と強め界磁側の電流上限円との交点を制御動作点とすることで図７に実線で示すように、図７に破線で示す最大トルク制御を行う場合に比べ、磁束密度増加によるＢＨカーブ面積の増加に伴い鉄損（ヒステリシス損）を悪化させることができる。これにより、廃熱の確保が可能となる。

つまり、図７に示すように、強め側に電流を通電することで鉄心の磁束密度が増加することにより、ＢＨカーブ面積増加により鉄損（ヒステリシス損）を悪化させることができる。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）電動圧縮機としての車載用電動圧縮機２０の構成として、電動モータ２３と、電動モータ２３を収容するとともに冷媒を内部に導入する吸入口２１ａを有するハウジング２１と、電動モータ２３によって駆動されてハウジング２１内の冷媒を吸引圧縮する圧縮部２２と、電動モータ２３を駆動するインバータ装置３１と、を備える。インバータ装置３１は、ｕ，ｖ，ｗの相毎の上下アームを構成するスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を有し、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のスイッチング動作に伴い直流電圧を交流電圧に変換して電動モータ２３に供給するインバータ回路４０と、電動モータ２３に供給される電流の値を検出する電流センサ４１，４２と、電流センサ４１，４２の検出値をもとにｄ軸電流値Ｉｄとｑ軸電流値Ｉｑを算出する座標変換部６５と、電動モータ２３に対する回転数指令値ω＊と回転数推定値としての推定回転数ωとの差Δωに基づいてｄ軸電流指令値及Ｉｄ＊びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を生成する速度制御部６１と、ｄ軸電流指令値とｄ軸電流値Ｉｄとの差分ΔＩｄに基づいてｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊を算出するとともにｑ軸電流指令値とｑ軸電流値Ｉｑとの差分ΔＩｑに基づいてｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を算出する電流制御部６４と、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊とｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊に基づいてスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を制御するＰＷＭ制御部７１と、ｄ軸電流値Ｉｄ、ｑ軸電流値Ｉｑ、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊に基づき、回転数推定値としての推定回転数ωを算出する回転数推定部としての回転角推定部６９と、を備える。速度制御部６１は、電動モータ２３を駆動させるための必要トルクが発生するようｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を生成する。インバータ装置３１は、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を変更することにより電動モータ２３の温度を上昇させる創熱電流指令部７０を備える。創熱電流指令部７０は、ｄ−ｑ座標系における定トルク曲線に沿ってｄ軸電流値Ｉｄが増加する方向へ推移するようｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を変更する。

よって、外部から冷媒昇温指令をうけた時において、ｄ−ｑ座標系における定トルク曲線に沿ってｄ軸電流値Ｉｄが増加する方向へ推移するようなｄ軸電流指令値Ｉｄ＊＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊＊に基づいてスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６が制御されるので、電動モータ２３の損失を増加させる制御が行われ電動モータ２３で発生する熱で冷媒が加熱される。特に、ｄ軸電流値Ｉｄを増加させることにより、電動モータ２３の鉄心における損失を増やすことができる。この際、ｄ軸電流及びｑ軸電流により電動モータ２３に発生するトルクは一定であり、電動モータ２３の回転数が安定するため、不要な騒音を生じることがない。これにより冷媒を早く温めることができる。具体的には、カーエアコンをヒートポンプやホットガスヒータとして運転する場合に全体の冷媒を温めるために暖気制御が必要となるが、本実施形態においては、冷媒を早く温めることで暖房が効き始めるまでの時間を短縮することができる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
〇上述した実施形態に代わり次のようにしてもよい。
図８に示すように、制御動作点は電流上限円の内側かつ電圧制限楕円の内側にある必要があり、電流上限円は、インバータ（モータ）の定格電流、電圧制限楕円は、入力電圧、回転数に依存する。指令回転数に従った運転をするには、選択する電流ベクトルを両制限円の内側とする必要がある。そのため、入力電圧の低下や指令回転数の増加によって電圧制限楕円が縮小すると、電圧制限楕円の外側に動作点があると電圧出力不足により回転数が低下してしまい、創熱制御動作点での回転数の維持ができなくなる。

そこで、図９に示すように、入力電圧が不足して指令回転数と回転数推定値としての推定回転数との偏差が閾値より大きい場合には、強め界磁側の創熱制御の動作点から弱め界磁側の創熱制御の動作点に移行する。このとき、弱め界磁側でも創熱制御動作点での電流量は同じになるため銅損は同等となるため廃熱利用が可能である。

具体的には、創熱電流指令部７０は、図１０に示す処理を実行する。図１０においては、図３に対し、ステップＳ２００、ステップＳ２０１、ステップＳ２０２、ステップＳ２０３が追加されている。

図１０のステップＳ２００において、回転数の偏差Δωが所定値以上であると、入力電圧の不足により回転数偏差が大きくなったとして弱め界磁側での創熱制御の動作点に移行すべく、ステップＳ２０１に移行する。ステップＳ２０１で合成電流指令値が電流上限値を超えたか否か判定する。合成電流指令値が電流上限値を超えていないと、ステップＳ２０３でｄ軸電流値に操作量を減算する。一方、合成電流指令値が電流上限値を超えていると、ステップＳ２０２でｄ軸電流値に操作量を加算する。

このように、創熱電流指令部７０は、回転数指令値ω＊と回転数推定値としての推定回転数ωとの偏差Δωが閾値よりも大きい場合は、定トルク曲線に沿ってｄ軸電流値Ｉｄが減少する方向へ推移するようｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を変更する。よって、入力電圧の低下や指令回転数の増加によって電圧制限円が縮小する場合にも弱め界磁側の制御動作点に移行することにより回転数指令値と回転数推定値としての推定回転数との偏差が閾値よりも大きくなり、ｄ−ｑ座標系における電流ベクトルの大きさに制限が生じた場合に、定トルク曲線に沿ってｄ軸電流値が減少する方向へ推移するようｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を変更することにより回転数指令値と回転数推定値としての推定回転数との偏差を小さくしつつ電動モータの損失を増加させる制御により電動モータで発生する熱で冷媒を加熱できる。

このとき、図１１に示すように、制御動作点を上述したごとく弱め界磁側に創熱制御動作点をもっていくと、鉄損で得られる損失が低下してしまう。そこで、図１２に示すように、鉄損の方が全損失に占める割合が多いモータの場合、全損失が最大となる条件（図１２では電流ベクトル選択範囲内での最も強め界磁側）を創熱制御作動作点にする。つまり、図１１に示すように、創熱制御動作点を電圧制限楕円と定トルク曲線との交点とする。

〇上述した実施形態に代わり次のようにしてもよい。
創熱電流指令部７０は、インバータ回路４０の構成部品であるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６等の過熱を防止すべく図１３に示す処理を実行する。図１３においては、図３に対し、ステップＳ３００が追加されている。

図１３のステップＳ３００において、図１４に示した制限電流値決定マップを参照してインバータの構成部品であるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６等の温度が高いほど制限電流値を小さくして制限をかける。

図１５に示すように、インバータ部品の温度、即ち、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の温度に応じて電流制限円の大きさを可変とする。具体的には、インバータの構成部品であるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６等の温度が高くなってきたら電流制限円の大きさを小さくして電動モータに流れる電流を下げてやる。

こうすることにより、図１５に示すように、モータ電流上昇に伴い、インバータ部品であるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６等の耐熱オーバー懸念があるため、部品温度に応じた電流に制限することで創熱制御の継続が可能となる。

このように、創熱電流指令部７０は、ｄ−ｑ座標系において、電流上限円を、インバータ回路４０の構成部品の温度（例えばスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の温度）に対する制限電流値を超えない範囲で規定するとともに、電流上限円と定トルク曲線の交点へと推移するようｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を変更する。よって、インバータ回路４０の構成部品の過熱を防止して、創熱電流指令部７０における定トルク曲線上の電流上限円との交点でのｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値の生成に伴う制御の継続が可能となる。

更に以下のようにすることも可能である。
単に電流制限円をインバータの構成部品であるスイッチング素子等の温度に応じて小さくするのではなく、図１６に示すように、電流制限円が低下して必要トルク（図１６での通常制御動作点）と定トルク曲線との交点がない場合、回転数を下げて負荷トルクを落とすように制限する。もしくは、回転数維持のため、図１６での通常動作点以下の電流制限円にしないように制限する。

〇ヒートポンプやホットガスヒータ以外にも、冷房用エアコンシステムに適用して冷媒を早く温めるようにしてもよい。これにより、例えば、冷凍サイクルの液溜部の冷媒を早期に温めて液溜部の液冷媒を早期に気化させるような場合にも有用である。

他にも、冷凍サイクルでの冷媒を逆方向に流すことにより暖房と冷房を切り替えて使用するシステムに適用してもよく、その場合も、冷媒を早く温めることができる。

２０…車載用電動圧縮機、２１…ハウジング、２１ａ…吸入口、２２…圧縮部、２３…電動モータ、３１…インバータ装置、４０…インバータ回路、４１，４２…電流センサ、６１…速度制御部、６４…電流制御部、６５…座標変換部、６９…回転角推定部、７０…創熱電流指令部、７１…ＰＷＭ制御部、Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６…スイッチング素子、ω…推定回転数、ω＊…回転数指令値、Δω…差、Ｉｄ…ｄ軸電流値、Ｉｄ＊…ｄ軸電流指令値、Ｉｑ…ｑ軸電流値、Ｉｑ＊…ｑ軸電流指令値、Ｖｄ＊…ｄ軸電圧指令値、Ｖｑ＊…ｑ軸電圧指令値。

Claims

電動モータと、
前記電動モータを収容するとともに冷媒を内部に導入する吸入口を有するハウジングと、
前記電動モータによって駆動されて前記ハウジング内の冷媒を吸引圧縮する圧縮部と、
前記電動モータを駆動するインバータ装置と、を備え、
前記インバータ装置は、
ｕ，ｖ，ｗの相毎の上下アームを構成するスイッチング素子を有し、前記スイッチング素子のスイッチング動作に伴い直流電圧を交流電圧に変換して前記電動モータに供給するインバータ回路と、
電動モータに供給される電流の値を検出する電流センサと、
前記電流センサの検出値をもとにｄ軸電流値とｑ軸電流値を算出する座標変換部と、
前記電動モータに対する回転数指令値と回転数推定値との差に基づいてｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を生成する速度制御部と、
前記ｄ軸電流指令値と前記ｄ軸電流値との差分に基づいてｄ軸電圧指令値を算出するとともに前記ｑ軸電流指令値と前記ｑ軸電流値との差分に基づいてｑ軸電圧指令値を算出する電流制御部と、
前記ｄ軸電圧指令値と前記ｑ軸電圧指令値に基づいて前記スイッチング素子を制御するＰＷＭ制御部と、
前記ｄ軸電流値、前記ｑ軸電流値、前記ｄ軸電圧指令値、前記ｑ軸電圧指令値に基づき、前記回転数推定値を算出する回転数推定部と、
を備え、
前記速度制御部は、
前記電動モータを駆動させるための必要トルクが発生するようｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を生成する電動圧縮機において、
前記インバータ装置は、前記ｄ軸電流指令値及び前記ｑ軸電流指令値を変更することにより前記電動モータの温度を上昇させる創熱電流指令部を備え、
前記創熱電流指令部は、
ｄ−ｑ座標系における定トルク曲線に沿ってｄ軸電流値が増加する方向へ推移するようｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を変更する
ことを特徴とする電動圧縮機。
前記創熱電流指令部は、前記回転数指令値と前記回転数推定値との偏差が閾値よりも大きい場合は、前記定トルク曲線に沿ってｄ軸電流値が減少する方向へ推移するよう前記ｄ軸電流指令値及び前記ｑ軸電流指令値を変更することを特徴とする請求項１に記載の電動圧縮機。
前記創熱電流指令部は、ｄ−ｑ座標系において、電流上限円を、前記インバータ回路の構成部品の温度に対する制限電流値を超えない範囲で規定するとともに、前記電流上限円と前記定トルク曲線の交点へと推移するよう前記ｄ軸電流指令値及び前記ｑ軸電流指令値を変更することを特徴とする請求項１又は２に記載の電動圧縮機。