JP2023021809A - モータ駆動装置および冷蔵庫 - Google Patents

Abstract

【課題】レシプロ型の圧縮機停止時のピストンの反転を抑制し、圧縮機に発生する振動を低減するモータ駆動装置を提供する。
【解決手段】モータ駆動装置１００は、ガスを圧縮するためのシリンダ２０３とピストン２０２から構成されるレシプロ型の圧縮機を駆動するためのモータ駆動装置であって、前記圧縮機が圧縮動作を行うためのブラシレスＤＣモータ２１０と、外部から供給される電源から電力を変換し、ブラシレスＤＣモータ２１０に供給するための波形生成部１２０を備える。波形生成部１２０は前記圧縮機２００のピストン２０２が上死点から下死点へ正転する間で圧縮機２００の回転が停止するようブラシレスＤＣモータ２１０への出力を短絡させる。
【選択図】図１

Description

特許法第３０条第２項適用申請有り 学会発表論文：コンプレッサ駆動用モータの停止時振動低減法論文 公開日：令和２年１２月１１日 公開者名：塩井 太介、熊谷 崇宏、伊東 淳一

本開示は、ブラシレスＤＣモータを駆動するモータ駆動装置、および、これを用いた冷蔵庫に関する。

特許文献１は、停止時の逆トルク印加を速度によってタイミングを決定することにより、圧縮機運転停止時の振動を低減する冷蔵庫を開示する。この冷蔵庫はレシプロ型圧縮機と圧縮機の回転周期を検知する位置検知手段を備え、位置検知手段が運転停止後のピストンの回転周期が所定値以下となるタイミングでモータの磁極位置によって通電を切り替えながら逆トルクとなる電圧印加を開始し圧縮機のピストン位置を上死点手前もしくは停止位置を管理せず停止させる。
特許文献２は、圧縮機停止時の電動機への通電停止後のブレーキにより停止時の振動を低減する電動機のトルク制御装置を開示する。この電動機のトルク制御装置は、負荷要素を駆動する電動機と、電動機に交流電力を供給するインバータを備え、インバータが圧縮機の通電停止開始位置を管理しインバータは電動機への通電停止後はブレーキをかけ停止させる。

特開２０１２－１６７８４９号公報 特開２００１－０３７２８１号公報

本開示は、レシプロ型の圧縮機停止時のピストンの反転を抑制し、圧縮機に発生する振動を低減するモータ駆動装置を提供する。

本開示におけるモータ駆動装置は、ガスを圧縮するためのシリンダとピストンから構成されるレシプロ型の圧縮機を駆動するためのモータ駆動装置であって、前記圧縮機が圧縮動作を行うためのブラシレスＤＣモータと、外部から供給される電源から電力を変換し前記ブラシレスＤＣモータに供給するための波形生成部を備える。前記波形生成部は前記圧縮機のピストンが上死点から下死点へ正転する間で前記圧縮機の回転が停止するよう前記ブラシレスＤＣモータへの出力を短絡させる。

本開示におけるモータ駆動装置は、（作用）圧縮機の吸入、圧縮、吐出、膨張の工程のうち、吸入または膨張の工程で停止させることができる。そのため、（効果）ブラシレスＤＣモータの速度が０となる際の圧縮機のシリンダ内外の圧力がほぼ等しくなり、ピストンが反転せず振動を低減することができる。

実施の形態１におけるモータ駆動装置と冷蔵庫の制御構成を示すブロック図 実施の形態１における波形生成部の構成を示すブロック図 実施の形態１における波形生成部の短絡の判定動作を説明するためのフローチャート 図４（ａ）は、実施の形態１におけるブラシレスＤＣモータの短絡時に流れる電流のタイミングチャート、図４（ｂ）は、実施の形態１におけるブラシレスＤＣモータの短絡指令出力のタイミングチャート 図５（ａ）は、実施の形態１における固定子への通電停止におけるＵ相巻き線の端子電圧のタイミングチャート、図５（ｂ）は、実施の形態１における固定子への通電停止におけるＶ相巻き線の端子電圧のタイミングチャート、図５（ｃ）は、実施の形態１における固定子への通電停止におけるＷ相巻き線の端子電圧のタイミングチャート、図５（ｄ）は、実施の形態１における固定子への通電停止における端子電圧の平均値のタイミングチャート 実施の形態１におけるブラシレスＤＣモータの運転停止時の速度のタイミングチャート

（本開示の基礎となった知見等）
発明者らが本開示に想到するに至った当時、圧縮機の運転停止後のピストンの回転周期が所定値以下となるタイミングでモータの磁極位置によって通電を切り替えながら逆トルクとなる電圧印加を開始し、ピストン位置を上死点手前もしくは停止位置を管理せず圧縮機を停止させる技術があった。
また、圧縮機のモータを駆動するインバータが圧縮機の通電停止開始位置を管理し、通電停止後にブレーキをかけることで圧縮機の回転を停止させる技術があった。

しかしながら、レシプロ型の圧縮機では、ピストンが圧縮から吐出の間でモータの速度が０となる可能性がある。そのため、ピストンの内外で圧力差が生まれピストンが反転し、停止時の振動が十分に低減されないという課題を発明者らは発見し、その課題を解決するために、本開示の主題を構成するに至った。
そこで、本開示は、ブラシレスＤＣモータの速度が０となる際の圧縮機のシリンダ内外の圧力がほぼ等しくなり、ピストンが反転せず停止時の振動を低減するモータ駆動装置を提供する。

以下、図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、または、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が必要以上に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。

（実施の形態１）
以下、図１～図６を用いて、実施の形態１を説明する。
［１－１．構成］
［１－１－１．モータ駆動装置を用いた冷蔵庫の構成］
図１は、実施の形態１におけるモータ駆動装置と冷蔵庫の制御構成を示すブロック図である。
図１に示すように、冷蔵庫３００は、モータ駆動装置１００と、圧縮機２００と、整流平滑部２とを備えている。

モータ駆動装置１００は、電源１からの入力を整流平滑部２で直流平滑化された電源でブラシレスＤＣモータ２１０を駆動する。ブラシレスＤＣモータ２１０は、圧縮機２００の内部に格納される。
ブラシレスＤＣモータ２１０は、永久磁石を２極対有する４極の回転子２１１と３相巻き線を有する固定子２１２とから構成されている。
固定子２１２は、モータ駆動装置１００の波形生成部１２０によって生成された波形で通電し、発生する磁界によって、回転子２１１を回転させる。
回転子２１１はレシプロ型の圧縮機２００のクランク２０１と連結し、回転子２１１の回転運動をピストン２０２の直線往復運動に変換する。

回転子２１１の回転の中心、クランク２０１と回転子２１１との連結部、クランク２０１とピストン２０２との連結部の順に直線で並ぶとき、ピストン２０２が最も回転子２１１から遠のく。この状態が上死点となりシリンダ２０３の中の冷媒が最も圧縮された状態となる。
また、クランク２０１と回転子２１１との連結部、回転子２１１の中心、クランク２０１とピストン２０２との連結部の順に直線で並ぶとき、ピストンが最も近づく。この状態が下死点となり、シリンダ２０３の中の冷媒の体積がもっと大きく、圧力は吸入した冷媒の圧力と等しい状態となる。

ピストン２０２は、往復運動により、圧縮機２００の中に充満した冷媒をシリンダ２０３内に吸入し、圧縮する。
シリンダ２０３は、ピストン２０２によって、吸入時より高い圧力となった冷媒を吐出する。シリンダ２０３から吐出された冷媒は、配管で接続された凝縮器３０１、減圧器３０２、蒸発器３０３の順に流れ圧縮機２００に戻される。この時、凝縮器３０１では、放熱が行われ、蒸発器３０３では、吸熱が行われるので、冷却および過熱を行うことができる。冷蔵庫３００はこのような冷凍サイクルを搭載して構成する。

電源１は、一般的な商用電源で、日本においては実効値１００Ｖの５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流電源である。
整流平滑部２は、電源１を入力として整流部２ａが交流電力を直流電力に整流し、平滑部２ｂが整流部２ａの出力側に接続され、整流部２ａの出力を平滑する。整流部２ａはブリッジ接続された４個の整流ダイオードで構成される。平滑部２ｂは、コンデンサで構成される。十分に平滑化するためには容量の大きなコンデンサが必要となる。そのため、本実施の形態では、容量に対してコストが安価な電解コンデンサが用いられる。

本実施の形態では、電源１として交流電源が用いられるため、整流平滑部２で交流を直流に平滑しモータ駆動装置１００に入力している。
なお、電源１が直流電源の場合は、直接、モータ駆動装置１００に接続するようにしてもよい。その際、整流平滑部２は不要である。
モータ駆動装置１００は、波形生成部１２０が整流平滑部２からの直流入力を交流に変換しブラシレスＤＣモータ２１０へと出力する。

モータ駆動装置１００は、波形生成部１２０と、端子電圧検出部１０２と、位相推定部１０３と、速度推定部１０４と、圧縮機状態把握部１０５と、電流検出部１０８と、を備えている。
端子電圧検出部１０２は、ブラシレスＤＣモータ２１０の波形生成部１２０と接続している端子の電圧を検出する。そして、端子電圧検出部１０２は、位相推定部１０３と速度推定部１０４にそれぞれ端子電圧の値を送る。
位相推定部１０３は端子電圧検出部１０２が検出したブラシレスＤＣモータ２１０の端子電圧からブラシレスＤＣモータ２１０の回転子２１１の位相を検出する。そして、位相推定部１０３は推定した回転子２１１の位相を波形生成部１２０へと入力する。

速度推定部１０４は、端子電圧検出部１０２が検出した電圧値から速度を推定する。そして、速度推定部１０４は、推定した速度を波形生成部１２０へと送る。運転中の回転子２１１の回転速度はブラシレスＤＣモータ２１０から発生する誘起電圧のゼロクロスの発生周期などから速度を推定する。ブラシレスＤＣモータ２１０の停止時など通電を行っていない際の回転子２１１の回転速度は、端子電圧検出部１０２の検出したブラシレスＤＣモータ２１０の他相の電圧とクロスする点と端子電圧の平均値との交点が現れる頻度から検出する。

圧縮機状態把握部１０５は、ブラシレスＤＣモータ２１０への通電が停止しているが、回転子２１１が回転しているときに圧縮機２００の圧縮状態を検出する。圧縮機状態把握部１０５は、ブラシレスＤＣモータ２１０の停止時など通電を行っていない際に、端子電圧検出部１０２の検出したブラシレスＤＣモータ２１０の他相の電圧との交点および端子電圧の平均値との交点を検出するたびに圧縮工程が進んだと判断する。

ピストン２０２は、下死点から上死点へ移動する際に冷媒を圧縮し吐出する。この冷媒を圧縮し吐出する際に、回転子２１１の速度は大きく低下する。そこで、圧縮機状態把握部１０５は、交点を検出する間隔の変化率が所定変化率より大きい状態から小さい状態へと変化したときに圧縮機２００が吐出から吸入に切り替わる上死点と判断する。そして、圧縮機状態把握部１０５は、上死点を基準として固定子２１２の端子電圧と比較電圧の交点の検出の回数で圧縮機２００の状態を把握する。

速度指令部１０７は、冷蔵庫３００の庫内の温度の状態などによって、波形生成部１２０にブラシレスＤＣモータ２１０の回転子２１１を回転させる速度の指令を送る。
電流検出部１０８は、ブラシレスＤＣモータ２１０に流れる電流を検出する。ブラシレスＤＣモータ２１０の３相それぞれに流れる電流を検出する。
波形生成部１２０は、位相推定部１０３が推定したブラシレスＤＣモータ２１０の位相に応じた適切な通電によってブラシレスＤＣモータ２１０の回転子２１１を回転させる。
波形生成部１２０では、速度指令部１０７から受け取った速度指令と、端子電圧検出部１０２で検出したブラシレスＤＣモータ２１０の端子電圧から速度推定部１０４が推定した回転子２１１の回転速度の差によって、固定子２１２に印加する電圧の大きさを変更する。

また、波形生成部１２０は、速度指令部１０７の指令速度が０となったとき、ブラシレスＤＣモータ２１０への通電を停止した後、ブラシレスＤＣモータ２１０の端子をすべて波形生成部１２０の内部で短絡させる。
短絡を行った際、ブラシレスＤＣモータ２１０が発電機となり電流が流れる。短絡している間は通常の運転時よりも大きな電流が流れる。そこで、波形生成部１２０は、電流検出部１０８が検出した固定子２１２に流れる電流をもとに、電流があらかじめ決めた電流閾値を中心に短絡と出力停止を繰り返す。これにより強制的にブラシレスＤＣモータ２１０を停止させることができる。

固定子２１２に流れる電流と電流閾値との比較は、周期的に行われる。
そのため、電流閾値は、電流の増加率と電流検出周期の関係から電流閾値を超える最大の電流が、ブラシレスＤＣモータ２１０の減磁を起こさず、固定子２１２の温度が使用可能温度以下で収まり、波形生成部１２０で流すことが可能な電流であるように決定される。
短絡時の電流は、ブラシレスＤＣモータ２１０と波形生成部１２０との間で流れ、回転子２１１の回転速度に応じた電流値まで上昇する。出力停止時の電流は、ブラシレスＤＣモータ２１０から波形生成部１２０を通り、整流平滑部２の平滑部２ｂに流れ、電流が減少する。

短絡させる処理は、ブラシレスＤＣモータ２１０の回転子２１１が正転している状態で行う。正転は回転子２１１とクランク２０１が連結されている側から見て、回転子２１１が反時計回りに回転する方向とする。また、短絡させる処理は、圧縮機２００のピストン２０２が上死点から下死点に移動する間に停止するように開始させる。

本実施の形態では、圧縮機２００のピストン２０２が上死点から下死点に移動する間に停止させるために、波形生成部１２０は、速度推定部１０４の推定する速度が、速度閾値以下になった際に短絡を開始する。
速度閾値は、圧縮機２００が冷媒に対する工程（ピストン２０２の位置）によってそれぞれ決定する。ピストン２０２が下死点から上死点へと移動する間は、圧縮工程で停止してしまう可能性があるため、上死点から下死点へと移動する途中よりも高い速度閾値となる。

また、短絡の開始は、圧縮機２００の圧力を冷蔵庫の冷凍サイクルの調整などにより所定の圧力条件にした後に、通電停止を行い、通電停止後の時間や圧縮した回数などから短絡開始のタイミングを決定してもよい。この方法では、短絡開始のタイミングに複雑な計算が必要なく処理を簡略化できる。

上死点は、圧縮機状態把握部１０５で、端子電圧検出部１０２で検出したブラシレスＤＣモータ２１０の端子電圧から安価かつ容易に検出することができる。
通常の冷蔵庫３００の運転であれば、圧縮機２００の吸入圧力と吐出圧力は所定値に収まっているため、あらかじめ定めた速度閾値で確実に上死点から下死点の間で停止させることができる。

しかしながら、冷蔵庫３００の異常が起こる場合、圧縮機２００の吸入圧力と吐出圧力が通常の運転状態より大きくなる。この場合、短絡を開始するあらかじめ定めた速度閾値より高い速度であっても、圧縮工程の途中で停止する可能性がある。そこで、波形生成部１２０は、短絡を開始するために速度閾値以下になるよう、一度速度を減速させる。減速させる方法は短絡とすることで、新たな手法を導入せずコストを抑えることができる。

回転子２１１停止のための短絡を始める前に減速させるかどうかは、回転子２１１が1回転したときの減速率から出力決定部１２１が決定する。
停止のために波形生成部１２０が出力を停止させ、短絡を始めるまでの間は、ブラシレスＤＣモータ２１０はフリーランとなる。ブラシレスＤＣモータ２１０がフリーランの間は、圧縮機２００の吐出圧力と吸入圧力はほとんど変化しない。そのため、回転速度と1回転分の減速率が求まれば、圧縮機２００の負荷トルクが求まるため、速度がどのように減速するか、何回転後に停止するかを予測することができる。

波形生成部１２０は、出力停止直後の減速率を求め、圧縮機２００が速度閾値に収まることなく停止することが予測される場合、停止する一つ前の上死点で回転子２１１の速度が速度閾値以下に収まるよう、短絡し減速させる。それにより、圧縮機２００の圧力が異常状態であっても、ピストン２０２が上死点から下死点に移動する間で停止させることができる。

ピストン２０２が上死点から下死点に移動する間は、シリンダ２０３は冷媒を吸入する。そのため、圧縮機２００内の冷媒の圧力とシリンダ２０３内の圧力差がなく、圧力差によるピストン２０２を動かす力が働かない。つまり、ピストン２０２が上死点から下死点へ移動する間に回転子２１１を停止させるので、回転子２１１の速度が0となった後に、反転することがなく、圧縮機２００の停止に伴う振動を低減できる。

［１－１－２．波形生成部の構成］
次に、図２を用いて波形生成部１２０の内部構造を説明する。
図２は、実施の形態１における波形生成部の構成を示すブロック図である。
図２に示すように、波形生成部１２０は、出力決定部１２１と、ドライブ部１２２と、インバータ１２３とから構成される。出力決定部１２１は、位相推定部１０３、速度推定部１０４、圧縮機状態把握部１０５、電流検出部１０８、速度指令部１０７からの出力を入力する。
インバータ１２３は、整流平滑部２からの直流電力を、交流電力に変換する。インバータ１２３は、６個のスイッチング素子１２３ａ～１２３ｆが３相ブリッジ接続されて構成される。また、６個の還流電流用ダイオード１２３ｇ～１２３ｌは、各スイッチング素子１２３ａ～１２３ｆに逆方向に接続される。

出力決定部１２１は、通電率、短絡指令、通電停止指令のいずれかを決定し、出力する。出力決定部１２１は、速度指令部１０７の指令速度が０より大きい場合は、通電率を出力する。通電率は、速度推定部１０４が推定する回転子２１１の回転速度と速度指令部１０７の指令速度の差から決定される。決定した通電率は、ドライブ部１２２に出力される。具体的には、波形生成部１２０では、速度指令の方が高い場合は電圧を高くし、速度指令の方が低い場合は電圧を低くし固定子２１２に出力する。

また、出力決定部１２１は、速度指令部１０７の指令速度が０である場合に、短絡指令もしくはすべてのスイッチング素子１２３ａ～１２３ｆがオフする通電停止指令を出力する。出力決定部１２１は、速度指令部１０７の速度指令が０となった直後は通電停止指令を出力する。
短絡指令の開始は、速度推定部１０４と圧縮機状態把握部１０５の情報をもとに、出力決定部１２１が決定し、出力を短絡指令に切り替える。さらに、異常な負荷状態であっても確実に停止するための短絡前の減速も、速度推定部１０４の推定速度の変化から出力決定部１２１が決定する。

また、短絡時に固定子２１２に流れる電流による短絡指令と通電停止指令との切り替えも、出力決定部１２１が行っている。
ドライブ部１２２は、位相推定部１０３で検出されるブラシレスＤＣモータ２１０の回転子２１１の位置情報に基づき、インバータ１２３がブラシレスＤＣモータ２１０の固定子２１２の３相巻線に供給する電力の供給タイミングを決定し、ＰＷＭ制御するドライブ信号を出力する。

具体的には、ドライブ信号は、インバータ１２３のスイッチング素子１２３ａ～１２３ｆをオンまたはオフする。これにより、固定子２１２に最適な交流電力が印加され、回転子２１１が回転し、ブラシレスＤＣモータ２１０が駆動される。駆動波形は、矩形波および正弦波などがあるが、特にこだわらない。また、ドライブ部１２２では、出力決定部１２１が決定した通電率をもとに、ＰＷＭデューティ幅を計算し、出力する。

ドライブ部１２２は、短絡指令がある場合、インバータ１２３のスイッチング素子１２３ａ、１２３ｃ、１２３ｅの組合せもしくは、スイッチング素子１２３ｂ、１２３ｄ、１２３ｆの組合せをオンさせ導通させる。各スイッチング素子１２３ａ～１２３ｆと逆方向にダイオード１２３ｇ～１２３ｌが接続されているため、ドライブ部１２２は固定子２１２の端子を短絡することとなる。

一般的に、制御側のスイッチング素子１２３ａ、１２３ｃ、１２３ｅを駆動するためには、平滑部２ｂと異なる電位基準の電源の充電が必要である。そのため、長時間短絡させるためには充電するための部品（コンデンサ等）が大きくなる。一方で、負極側のスイッチング素子１２３ｂ、１２３ｄ、１２３ｆは、平滑部２ｂと共通の電位基準の電源でよいため、駆動には電源の充電が不要である。本実施の形態では、短絡時のスイッチング素子を駆動する電源の充電が必要ないため負極側のスイッチング素子１２３ｂ、１２３ｄ、１２３ｆを短絡する。これにより回路の大型化やコストアップを抑制することができる。

ドライブ部１２２が固定子２１２を短絡させた場合、ブラシレスＤＣモータ２１０は発電機として働くので、固定子２１２に電流が流れる。固定子２１２に流れる電流は、オンさせたスイッチング素子１２３ｂ、１２３ｄ、１２３ｆまたはダイオード１２３ｈ、１２３ｊ、１２３ｌのいずれかを通り再び固定子２１２に流れる。

また、ドライブ部１２２は、通電停止指令がある場合、スイッチング素子１２３ａ～１２３ｆをすべてオフさせる。固定子２１２に流れていた電流は流れ続けるため、ダイオード１２３ｈ、１２３ｊ、１２３ｌに流れていた電流はそのまま流れる。一方で、スイッチング素子１２３ｂ、１２３ｄ、１２３ｆに流れていた電流は、導通が遮断されるため、それぞれダイオード１２３ｇ，１２３ｉ，１２３ｋを流れる。その結果、固定子２１２の電流が平滑部２ｂに流れ、充電される。そして固定子の２１２に流れる電流は急速に減少する。

［１－２．動作］
以上のように構成されたモータ駆動装置１００について、その動作を以下説明する。
［１－２－１．短絡判定動作］
図３に基づいて、出力決定部１２１の短絡判定動作を説明する。
図３は、実施の形態１における波形生成部の短絡の判定動作を説明するためのフローチャートである。
まず、速度指令部１０７からの指令速度が０となるまでは、ブラシレスＤＣモータ２１０を停止させるための短絡判定は行わない（Ｓ１０１：Ｎｏ）。そして指令速度が０となると（Ｓ１０１：Ｙｅｓ）、出力決定部１２１は、通電停止指令を出力する（Ｓ１０２）。通電を停止し、回転子２１１がフリーランの間は、圧縮機状態把握部１０５が把握した圧縮機２００の圧縮工程の状態に応じた指令速度をあらかじめ計算し作成したテーブルから速度閾値を決定する（Ｓ１０３）。

そして、速度推定部１０４が推定する回転子２１１の回転速度が、速度閾値より大きい間は（Ｓ１０４：Ｎｏ）、速度閾値を更新（Ｓ１０３）し続ける。回転子２１１はフリーランの状態で徐々に回転速度が低下していく。そして、回転速度が速度閾値以下になった時（Ｓ１０４：Ｙｅｓ）、電流検出部１０８が検出した固定子２１２に流れる電流があらかじめ定めた電流閾値未満かどうかを判定する（Ｓ１０５）。

判定した結果、固定子２１２に流れる電流が電流閾値未満ならば（Ｓ１０５：Ｙｅｓ）、出力決定部１２１は短絡指令を出力する（Ｓ１０６）。短絡を開始するまでは電流が流れていないため、まずは短絡が開始される。回転子２１１の実際の回転速度０となるまで（Ｓ１０８：Ｎｏ）、電流値が電流閾値未満かの判定（Ｓ１０５）を繰り返す。判定を繰り返しはＰＷＭの周期に同期させるなど、周期的に実施することで、処理時間を削減できる。

短絡中は、回転子２１１の回転速度が一定であれば、固定子２１２に流れる電流は、回転数に応じた電流値まで徐々に増加する。短絡を開始して固定子２１２に流れる電流が増加した結果、電流値が電流閾値以上となると（Ｓ１０５：Ｎｏ）、出力決定部１２１は通電停止指令を出力する（Ｓ１０７）。通電停止によって電流は減少する。
回転速度が０となるまでは（Ｓ１０８：Ｎｏ）、電流値を電流閾値と比較することで（Ｓ１０５）、短絡指令の出力（Ｓ１０６）による電流の増加と通電停止指令の出力による電流の減少によって電流が一定値以下に抑制されながら、フリーランでの減速よりもすみやかに、回転速度が低下していく。回転速度の低下とともに電流値は小さくなり、回転速度が０に近づくと電流値は電流閾値を超えることがなくなり（Ｓ１０５：Ｙｅｓ）、短絡指令が継続される。

電流値が小さくなることで、回転子２１１の回転を低下させる力が小さくなり滑らかな速度変化によって停止し、停止時の振動を抑制することができる。
さらに、上死点から下死点までの間で停止するよう速度閾値を定めているため、圧縮機２００のピストン２０２がシリンダ２０３の内外圧力差によって押し戻されることがなく、回転子２１１の反転による振動も発生しない。回転速度が０になった場合（Ｓ１０８：Ｙｅｓ）、出力決定部１２１は短絡制御を終了し通電停止指令を出力する（Ｓ１０９）。

なお、短絡制御の終了は回転速度が０となった場合としたが、電流検出部１０８が検出する固定子２１２に流れる電流が０となった場合でもよい。また、回転速度が完全な０ではなく０．１ｒ／ｓなど０に近い値としてもよく、回転のエネルギーが小さいため、停止時の振動を抑制できる。同様に電流値も０．１Ａなど０に近い値を終了の条件としても同様に停止時の振動を抑制できる。

このときの動作を、図４（ａ）と図４（ｂ）を用いて、より詳細に説明する。図４（ａ）は短絡を行った際（図６におけるＴ１０６とＴ１０７の間の時間）の固定子２１２に流れる電流値の変化を示す。図４（ｂ）は電流検出部１０８が検出した固定子２１２の電流値に応じて出力決定部１２１が短絡指令と通電停止指を出力するタイミングを示す。短絡を開始すると（図４（ｂ）におけるＴ１０６）、電流が増加を始める（図４（ａ）におけるＴ１０６からＴ２０１の間）。周期的に電流値が電流閾値を超えているかどうかを判断する。短絡を開始した直後の電流値が０の状態から始まる。

短絡開始後、最初の判定周期（図４（ａ）におけるＴ２０１）と次の判定周期（図４（ａ）におけるＴ２０２）では電流値が電流閾値未満のため、短絡指令が継続される（図４（ｂ）におけるＴ２０１からＴ２０３の前まで）。その次の判定周期（図４（ａ）におけるＴ２０３）では電流値が電流閾値以上となっているため、通電停止指令が選択され、出力される（図４（ｂ）におけるＴ２０３）。通電停止指令により固定子２１２に流れる電流が減少する。

そして、次の判定周期（図４（ａ）におけるＴ２０４）では再び電流値が電流閾値を下回っているため、短絡指令が選択され出力される（図４（ｂ）におけるＴ２０４）。そして、次の周期（図４（ａ）におけるＴ２０５）で電流値が閾値以上となり通電停止指令（図４（ｂ）におけるＴ２０５）、およびその次の周期（図４（ａ）におけるＴ２０６）で電流値が電流閾値を下回り短絡指令がそれぞれ選択され出力される（図４（ｂ）におけるＴ２０６）。ブラシレスＤＣモータ２１０に電流を流すことにより回転子２１１の回転速度が低下する。

そのため、固定子２１２に発生する誘起電圧が低下し、短絡時の固定子２１２に流れる電流が減少する。その結果、次の周期（図４（ｂ）におけるＴ２０７）では、短絡指令が継続しても電流が電流閾値を超えない（図４（ａ）におけるＴ２０７）。そして、その後も周期的（図４（ａ）および（ｂ）におけるＴ２０８～Ｔ２１１）に判定を行っても、回転子２１１が停止するまで固定子２１２に流れる電流が減少しながら短絡指令が継続される。

そして、回転子２１１が停止したと判断が行われる周期（図４（ａ）および（ｂ）におけるＴ１０７）では、短絡による回転子２１１の停止処理が終了したとして、通電停止指令を出力する。これによりインバータ１２３と固定子２１２が熱破壊から守られる。また、固定子２１２によって作られる磁界の強さが一定値以下になるため、回転子２１１の減磁を防ぐ。さらに電流をインバータ１２３と固定子２１２と回転子２１１を保護する可能な限り大きな電流で回転子２１１を停止させることができる。

［１－２－２．圧縮機停止時の速度推定動作］
次に指令速度が０となり回転子２１１が回転している状態から、インバータ１２３が通電停止した際の速度推定部１０４の動作を、図５（ａ）～図５（ｄ）を用いてより詳細に説明する。固定子２１２はスター結線とする。スター結線は、固定子２１２の３相の各巻き線の一端をすべて結線する。固定子２１２の各巻き線同士で結線していない側の端子はインバータ１２３のスイッチング素子１２３ａと１２３ｂ、スイッチング素子１２３ｃと１２３ｄ、スイッチング素子１２３ｅと１２３ｆの接続部にそれぞれ結線している。スイッチング素子１２３ａと接続する固定子２１２の巻き線をＵ相、スイッチング素子１２３ｃと接続する固定子２１２の巻き線をＶ相、スイッチング素子１２３ｅと接続する固定子２１２の巻き線をＷ相とする。

図５（ａ）は回転子２１１が回転している状態から通電停止した際の固定子２１２のＵ相の端子電圧の波形である。図５（ｂ）は回転子２１１が回転している状態から通電停止した際の固定子２１２のＶ相の端子電圧の波形である。図５（ｃ）は回転子２１１が回転している状態から通電停止した際の固定子２１２のＷ相の端子電圧の波形である。図５（ｄ）は固定子２１２の端子電圧の平均電圧の波形である。図５（ａ）～図５（ｄ）の電圧の基準は平滑部２ｂの負極側とする。

まず運転状態からスイッチング素子１２３ａ～１２３ｆがオフとなり固定子２１２への通電が停止される（Ｔ３００）。通電が停止されると回転子２１１の誘起電圧をＵ相、Ｖ相、Ｗすべての相で観察でき。３相の端子電圧のうち最も低い相は、平滑部２ｂと電位がほぼ等しくなる。ここで停止開始時の端子電圧をＷ相＞Ｕ相＞Ｖ相とする。回転子２１１が回転することで、固定子２１２の自足が変化するため、各相の誘起電圧が変化する。ここで、Ｖ相の電圧は、最も低い状態が継続し変化しない（図５（ｂ）おけるＴ３００～Ｔ３０１の間）。

しかし、Ｕ相の電圧は、徐々に増加し（図５（ａ）におけるＴ３００～Ｔ３０１の間）、Ｗ相の電圧は、徐々に減少する（図５（ｃ）におけるＴ３００～Ｔ３０１の間）。そして、Ｕ相とＷ相の端子電圧が一致する（図５（ａ）と図５（ｃ）におけるＴ３０１）。その後、端子電圧の大きさは、Ｕ相＞Ｗ相＞Ｖ相となる（図５（ａ）～図５（ｃ）におけるＴ３０１～Ｔ３０３の間）。この間、Ｗ相の端子電圧が徐々に低下し、Ｗ相とＶ相が一致する（図５（ｂ）と図５（ｃ）におけるＴ３０３）。

そして回転子２１１が回転することで、端子電圧の状態は、Ｕ相＞Ｖ相＞Ｗ相（図５（ａ）～図５（ｃ）におけるＴ３０３～Ｔ３０５の間）、Ｖ相＝Ｕ相＞Ｗ相（図５（ａ）と図５（ｂ）におけるＴ３０５）、Ｖ相＞Ｕ相＞Ｗ相（図５（ａ）～図５（ｃ）におけるＴ３０５～Ｔ３０７の間）、Ｖ相＞Ｕ相＝Ｗ相（図５（ａ）と図５（ｃ）におけるＴ３０７）、Ｖ相＞Ｗ相＞Ｕ相（図５（ａ）～図５（ｃ）におけるＴ３０７～Ｔ３０９の間）、Ｖ相＝Ｗ相＞Ｕ相（図５（ｂ）と図５（ｃ）におけるＴ３０９）、Ｗ相＞Ｖ相＞Ｕ相（図５（ａ）～図５（ｃ）におけるＴ３０９～Ｔ３１１の間）、Ｗ相＞Ｖ相＝Ｕ相（図５（ａ）と図５（ｂ）におけるＴ３１１）。

そして、Ｗ相＞Ｕ相＞Ｖ相（図５（ａ）～図５（ｃ）におけるＴ３１１～Ｔ３１２の間）となり、再び通電停止と同じ状態となりブラシレスＤＣモータ２１０は電気角で１回転となる。一方で本実施の形態では、回転子２１１が４極としたので、電気角２周期分で、機械角１周期分となる。つまり、電気角２周期で、回転子２１１が１回転し、ピストン２０２が１往復する。３相の端子電圧うち、２相が一致する状態は電気角で６０度ごとに発生するので電気角１周期で６回、機械角１周期で１２回発生する。速度推定部１０４は、この３相の端子電圧それぞれの大小関係が変化するタイミングを検出し、その発生周期の１２倍の逆数が回転子２１１の回転速度となる。

また３相の端子電圧値の平均と各相の端子電圧が一致するタイミングを検出してもよい。各相の端子電圧と３相の端子電圧の平均との一致点は、２相の端子電圧の一致する電気角の中間で現れる（図５（ａ）～図５（ｄ）におけるＴ３０２、Ｔ３０４、Ｔ３０６、Ｔ３０８、Ｔ３１０、Ｔ３１２）。つまり、電気角１周期の中で、６回発生し、本実施の形態では機械角１周期の中で１２回発生する。各相の端子電圧と３相の端子電圧の平均の一致の発生周期の１２倍の逆数を回転子２１１の回転速度とする。

各相の端子電圧と３相の端子電圧の平均の一致するタイミングと、端子電圧３相のうち２相が一致するタイミングは、機械角で１５度ごとに合計で２４回発生する。各相の端子電圧と３相の端子電圧の平均の一致するタイミングと、端子電圧３相のうち２相が一致するタイミングを組み合わせて検出することで、固定子２１２への通電停止時の速度推定を、個別で行うより精度よく行うことができる。

［１－２－１．圧縮機の状態把握動作］
圧縮機状態把握部１０５は、指令速度が０となり回転子２１１が回転している状態から、インバータ１２３が通電停止した際の速度推定部１０４と同様に、３相の端子電圧それぞれの大小関係が変化を検出する。この変化があるたびに、回転子２１１が一定の角度だけ回転し、ピストン２０２が移動し工程が変化する。また、端子電圧の大小関係が変化する周期は、ピストン２０２が下死点から上死点へと移動する冷媒を圧縮し吐出する際に大きくなる。

また端子電圧の大小関係が変化する周期は、上死点から下死点へと移動し冷媒を吸入する際には小さくなる。この変化する周期をあらかじめ定めておいた変化周期閾値と比較し、変化する周期が変化周期閾値より大きい状態から小さい状態へと変わるところを上死点として検出する。圧縮機状態把握部１０５は、この上死点を基準に、端子電圧の大小関係が変化する回数で圧縮機２００の状態を把握する。本実施の形態では、３相４極のブラシレスＤＣモータ２１０であるので、例えば上死点から大小関係が変化する回数が６回で下死点となる。上死点から大小関係が変化する回数が１２回で上死点となる。
また、速度推定部１０４と同様に、各相の端子電圧と３相の端子電圧の平均の一致するタイミングも利用することで、細かく圧縮機２００の状態を把握することができる。

［１－３．圧縮機停止時の速度変化］
次に圧縮機２００の回転子２１１の速度変化について図６を用いて説明する。図６は指令速度が０となり回転子２１１が回転している状態から、インバータ１２３が通電停止した際の回転子２１１の回転速度の変化を示す。速度指令部１０７からの指令速度が０となることで、波形生成部１２０が固定子２１２への通電を停止すると（Ｔ１０１）、回転子２１１はフリーランとなる。

ここでは、通電が停止された時のピストン２０２の位置が下死点だったとする。下死点から上死点へとピストン２０２が移動していくことで、冷媒を圧縮し吐出が行われる（Ｔ１０１からＴ１０２の間）。この間、回転子２１１の速度が大きく低下する。ピストン２０２が上死点に到達すると（Ｔ１０２）、下死点まで移動する間（Ｔ１０２からＴ１０３の間）は速度の変化がほとんどなくなる。

このように、回転子２１１の速度は、ピストン２０２が下死点から上死点へと移動する際の速度の低下（Ｔ１０１からＴ１０２の間、Ｔ１０３からＴ１０４の間、Ｔ１０５からＴ１０６の間）と上死点から下死点へと移動する際の速度のわずかな速度低下（Ｔ１０２からＴ１０３の間、Ｔ１０４からＴ１０５の間、Ｔ１０６からＴ１０７の間）とを繰り返しながら、徐々に回転子２１１の速度が低下する。

そして、回転子２１１の速度が速度閾値を上回っている間（Ｔ１０１からＴ１０６の間）は、波形生成部１２０は出力を停止している。
そして、回転子２１１の速度が速度閾値以下になったことで（Ｔ１０６）、波形生成部１２０により短絡が開始される。短絡されている間は（Ｔ１０６からＴ１０７の間）、ピストン２０２が上死点から下死点に移動する吸入工程であっても、速度を減速させられる。回転子２１１の回転速度が速度閾値以下になった時に、固定子２１２の短絡を開始させることで、ピストン２０２が上死点から下死点へと移動する間に停止する。この状態では、シリンダ２０３の内外の圧力差がなく、ピストン２０２が跳ね返ることがないため、波形生成部１２０が通電を停止しても、回転子２１１の速度は０のまま維持される。

回転子２１１の速度は上死点手前で大きく減速し速度閾値をまたぐ可能性が高い。また、速度閾値が上昇するのは下死点でのみとなるため、速度が変わらない場合、速度が速度閾値を下回るのは、下死点のみとなる。つまり、回転子２１１の回転速度が速度閾値より低いかどうかの判定は、上死点と下死点でのみ行い、速度閾値は下死点と上死点で２種類用意し、下死点での速度閾値の方が上死点での速度閾値より高く設定するようにしてもよい。
さらに、波形生成部１２０が短絡を開始する位置を上死点と固定することで制御が容易となる。ピストン２０２が上死点から下死点へと遷移する間に停止させるため、短絡開始から下死点までの間のどこで止まってもよい。さらに短絡開始から下死点までの時間が最も長く確保できることとなり、閾値を高く設定することができ、速度の制御が容易となる。

［１－４．効果等］
以上のように、本実施の形態においては、モータ駆動装置１００は、ガスを圧縮するためのシリンダ２０３とピストン２０２から構成されるレシプロ型の圧縮機２００を駆動するためのモータ駆動装置１００であって、圧縮機２００が圧縮動作を行うためのブラシレスＤＣモータ２１０と、外部から供給される電源１から電力を変換しブラシレスＤＣモータ２１０に供給するための波形生成部１２０を備える。波形生成部１２０は、ブラシレスＤＣモータ２１０を停止させる際に、圧縮機２００のピストン２０２が上死点から下死点に正転する間で圧縮機２００の回転が停止するようブラシレスＤＣモータ２１０への出力を短絡させる。
これにより、ブラシレスＤＣモータ２１０の速度が０となる際の圧縮機２００のシリンダ２０３内外の圧力をほぼ等しくすることができる。そのため、シリンダ２０３内のガスがピストン２０２を押しのける力を低減することにより、ピストン２０２の反転を抑制し、停止時の振動を低減することができる。

また、本実施の形態においては、ブラシレスＤＣモータ２１０に流れる電流を検出する電流検出部１０８を備えるようにしてもよい。波形生成部１２０は、電流検出部１０８の検出したブラシレスＤＣモータ２１０の電流値が電流閾値を超えたときに電流を減少させる。
これにより、波形生成部１２０やブラシレスＤＣモータ２１０の機能が低下するほど大きな電流が流れることを回避できる。そのため、ブラシレスＤＣモータ２１０は安全に振動抑制しながら、停止できる。

また、本実施の形態においては、波形生成部１２０が電流値が電流閾値を超えないよう減少させる電流は、ブラシレスＤＣモータ２１０の電流である平滑部２ｂに流す電流である。
これにより、ブラシレスＤＣモータ２１０に流れる電流がすみやかに減少することになる。そのため、電流が閾値を超えている時間を短くすることができる。

また、本実施の形態においては、ブラシレスＤＣモータ２１０の端子電圧値を検出する端子電圧検出部１０２と、端子電圧検出部１０２が検出したブラシレスＤＣモータ２１０の端子電圧値からブラシレスＤＣモータ２１０の回転速度を推定する速度推定部１０４を備える。波形生成部１２０は速度推定部１０４が推定するブラシレスＤＣモータ２１０の回転速度が速度閾値以下になった後に短絡を開始する。
これにより、短絡による停止において、ピストン２０２が上死点から下死点へと移動する間に、簡単な判断のみでブラシレスＤＣモータ２１０の回転子２１１の回転を停止させられる。そのため、圧縮機２００の運転停止時の振動を低コストのマイコンなどで抑制できる。

また、本実施の形態においては、圧縮機２００のピストン２０２の位置を把握する圧縮機状態把握部１０５を備えている。波形生成部１２０は圧縮機状態把握部１０５が把握した圧縮機２００のピストン２０２が所定位置になったとき、ブラシレスＤＣモータ２１０にブレーキをかけ始める。
これにより、圧縮機２００を停止させる速度閾値を複数持つための記憶装置の簡略化や、速度閾値を求めるための複雑な計算が不要となる。そのため、波形生成部１２０を実現するためのマイコンなどのコストを低減することができる。

また、本実施の形態においては、圧縮機状態把握部１０５は端子電圧検出部１０２が検出したブラシレスＤＣモータ２１０の端子電圧から圧縮機２００のピストン２０２の位置を把握する。
これにより、圧縮機状態把握部１０５は、速度推定部１０４と端子電圧検出部１０２を共用することがでる。そのため、部品の追加を抑えつつ圧縮機２００の状態を把握することができ、コストを抑制することが可能となる。

また、本実施の形態においては、圧縮機２００のピストン２０２が所定位置から停止を開始する際の速度推定部１０４の推定するブラシレスＤＣモータ２１０の速度が速度閾値より高い速度の場合、波形生成部１２０は、ブラシレスＤＣモータ２１０の停止開始前に、速度閾値以下かつ０より大きい値になるようにブラシレスＤＣモータ２１０の速度を減速させる。
これにより、状態異常のような圧力が想定する範囲から外れる場合であってもピストン２０２が上死点から下死点へと移動する間に回転子２１１の回転を止めることができる。そのため、圧縮機２００の正常な状態と異常な状態どちらでも、圧縮機２００の停止時の振動を抑制することができる。

また、本実施の形態においては、冷蔵庫３００は、モータ駆動装置１００と圧縮機２００を備える。
これにより、冷蔵庫３００の庫内が十分に冷えモータ駆動装置１００が圧縮機２００を小さな振動で停止させることができる。そのため、冷蔵庫３００は室内に設置され騒音が気になることが多いが静粛な冷蔵庫３００を提供することができる。

また、本実施の形態においては、圧縮機２００を冷蔵庫３００の筐体上部に備えている。
これにより、圧縮機２００による振動発生の力点が筐体上部で支点が筐体と、接置床で離れている状態でも停止時の振動による騒音を抑制することができる。そのため、冷蔵庫３００の庫内の最も手が届きにくく使いにくい筐体上部を狭め、使いやすい庫内下部を広げた、使いやすさと静音を両立した冷蔵庫３００を提供することができる。

（他の実施の形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。また、上記実施の形態１で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。

以上のように、本発明に係るモータ駆動装置は、ブラシレスＤＣモータが停止する際の振動を低減することのできるモータ駆動装置として好適に利用可能である。

１ 電源
２ 整流平滑部
２ａ 整流部
２ｂ 平滑部
１００ モータ駆動装置
１０２ 端子電圧検出部
１０３ 位相推定部
１０４ 速度推定部
１０５ 圧縮機状態把握部
１０７ 速度指令部
１０８ 電流検出部
１２０ 波形生成部
１２１ 出力決定部
１２２ ドライブ部
１２３ インバータ
１２３ａ～１２３ｆ スイッチング素子
１２３ｇ～１２３ｌ ダイオード
２００ 圧縮機
２０１ クランク
２０２ ピストン
２０３ シリンダ
２１０ ブラシレスＤＣモータ
２１１ 回転子
２１２ 固定子
３００ 冷蔵庫
３０１ 凝縮器
３０２ 減圧器
３０３ 蒸発器

Claims (9)

1. ガスを圧縮するためのシリンダとピストンから構成されるレシプロ型の圧縮機を駆動するためのモータ駆動装置であって、
   前記圧縮機が圧縮動作を行うためのブラシレスＤＣモータと、
   外部から供給される電源から電力を変換し前記ブラシレスＤＣモータに供給するための波形生成部を備え、
   前記波形生成部は、前記ブラシレスＤＣモータを停止させる際に、前記圧縮機のピストンが上死点から下死点に正転する間で前記圧縮機の回転が停止するよう前記ブラシレスＤＣモータへの出力を短絡させることを特徴とするモータ駆動装置。
2. 前記ブラシレスＤＣモータに流れる電流を検出する電流検出部を備え、
   前記波形生成部は、前記電流検出部の検出した前記ブラシレスＤＣモータの電流値が電流閾値を超えないよう電流を減少させることを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
3. 前記波形生成部が電流値が電流閾値を超えないよう減少させる電流は、前記ブラシレスＤＣモータの電流を前記電源に流す電流であることを特徴とする請求項２に記載のモータ駆動装置。
4. 前記ブラシレスＤＣモータの端子電圧値を検出する端子電圧検出部と、
   前記端子電圧検出部が検出した前記ブラシレスＤＣモータの端子電圧値から前記ブラシレスＤＣモータの回転速度を推定する速度推定部と、を備え、
   前記波形生成部は、前記速度推定部が推定する前記ブラシレスＤＣモータの回転速度が速度閾値以下になった後に短絡を開始することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。
5. 前記圧縮機のピストンの位置を把握する圧縮機状態把握部を備え、
   前記波形生成部は、前記圧縮機状態把握部が把握した圧縮機のピストンが所定位置になったとき、前記ブラシレスＤＣモータにブレーキをかけ始める短絡を開始することを特徴とする請求項４に記載のモータ駆動装置。
6. 前記圧縮機状態把握部は、前記端子電圧検出部が検出した前記ブラシレスＤＣモータの端子電圧から前記圧縮機のピストン位置を把握することを特徴とする請求項５に記載のモータ駆動装置。
7. 前記圧縮機のピストンが所定位置から停止を開始する際の前記速度推定部の推定する前記ブラシレスＤＣモータの速度が速度閾値より高い速度の場合、前記波形生成部は、前記ブラシレスＤＣモータの停止開始前に、速度閾値以下かつ０より大きい値になるように前記ブラシレスＤＣモータの速度を減速させることを特徴とする請求項５または請求項６に記載のモータ駆動装置。
8. 請求項１から請求項７のいずれかに記載のモータ駆動装置と前記圧縮機を備えたことを特徴とする冷蔵庫。
9. 前記圧縮機を筐体上部に備えたことを特徴とする請求項８に記載の冷蔵庫。

Images