JP2024006514A - エアコンプレッサ - Google Patents

Abstract

【課題】エアコンプレッサの吐出量を増加させつつ発生音を抑制する。【解決手段】空気を圧縮する圧縮機構１０を駆動するモータ２０と、モータ２０を制御する制御部３０と、を備えるエアコンプレッサ１であって、モータ２０は、ステータ２１と、ステータ２１の外側に配置されるロータ２２と、を有するアウターロータモータであり、制御部３０は、ロータ２２の位置情報に基づいてステータ２１のステータ巻線２１ａ、２１ｂ、２１ｃに印加する電圧を調整する。【選択図】図１０

Description

本発明は、エアコンプレッサに関する。

建築現場等においては、切削、釘打ち、ネジ打ち等の作業を行うために、圧縮空気を駆動エネルギとした空圧工具が用いられている。空圧工具としては、エアドライバや、ステープル、ピン、ビス、釘等のファスナを打ち込むネイラが知られており、かかる空圧工具に圧縮空気を供給するのがエアコンプレッサである。

一般的なエアコンプレッサは、モータの回転運動が、クランク軸を介してシリンダ内のピストンの往復運動に変換され、ピストンの往復運動によってシリンダの吸気弁から吸い込んだ空気を圧縮する、いわゆるレシプロ式の圧縮機構を採用している。シリンダ内で圧縮された圧縮空気は、シリンダの吐出弁からパイプを通してタンクに吐出され、タンク内に貯留される。そして、ユーザが調圧ダイヤルを操作することによって、タンクから空気を取り出す際の圧力を調整するための減圧弁を操作することが可能となっており、かかる減圧弁の操作により所望の圧力となった圧縮空気は、圧縮空気の供給口から外部の空圧工具に供給される。

ところで、空圧工具を駆動するための圧縮空気を生成するエアコンプレッサは、可搬型とされる必要があることから、小型で軽量なものであることが望ましい。また、作業効率を高めるためには、圧縮空気の吐出量を増大することが求められる。そこで、現在においては、エアコンプレッサの小型化や圧縮効率向上を目的として、アウターロータを用いたモータを採用する技術が提案されている（特許文献１及び２参照）。また、近年においては、弱め界磁制御でモータのＴＮ特性（トルクと回転数との関係を示す特性）を変化させることにより、低圧域の吐出量を増大させる技術も提案されている（特許文献３参照）。

特開２０１４－２９１４０号公報 特開平８－３３８３６９号公報 特開２０２０－１７４５０２号公報

エアコンプレッサの圧縮効率の向上（すなわち吐出量の増加）を図るためには、回転数を上げることが有効ではあるものの、騒音が増大するため、建築現場で使用されることを考慮すると好ましい対応ではない。一方、回転数を上げずに吐出量を増やすには、シリンダ径やシリンダストロークを拡大することや、シリンダ内の隙間を詰めて漏れを防ぐこと等が有効であることが知られているが、かかる手段で吐出量を増加させようとすると、圧縮機構を駆動するモータに高いトルクを発生させる必要があるだけでなく負荷変動幅が大きくなるため、回転速度が落ち込むなど安定した回転が得られず、また、電源からの電流を所定の上限値以内に抑えるために電流制限が設けられている状況で高いトルクを発生させようとすると、モータの回転数を上げなくても電流が上限値に達してしまい、結果的に吐出量を増加させることができない。しかも、モータにかかる負荷が増えることによってモータ駆動電流が増加することから、モータ内の電磁力が増加し、これによる発生音が増加してしまう、という問題がある。

このように、エアコンプレッサは、吐出量を増加させようとすると発生音が増大しかつモータ回転が不安定となるという問題を抱えているが、特許文献１～３に記載されたような従来の技術によっては、かかる問題を解決することができなかった。

すなわち、特許文献１及び２に記載されたようなアウターロータモータを採用すると回転系の慣性を増やすことが可能であるが、アウターロータは、面積の大きいロータ部分が主たる発音部となるため発生音が増大し易く、また、ロータプレートに剛性の弱いアルミニウムや薄い鉄を使う場合が多く、発生音も大きくなり易い。一方、特許文献３に記載されたような技術は、低圧域のみに効果があり、高圧域の電流制限領域において吐出量を増大させることはできない上に、低圧域の回転数を上げるため発生音が大きくなってしまうという問題があった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、エアコンプレッサの吐出量を増加させつつ発生音を抑制することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係る第一のエアコンプレッサは、空気を圧縮する圧縮機構を駆動するモータと、モータを制御する制御部と、を備えるものであって、モータは、ステータと、ステータの外側に配置されるロータと、を有するアウターロータモータであり、制御部は、ロータの位置情報に基づいてステータのステータ巻線に印加する電圧を調整するものである。ステータ巻線に流れる電流の波形は、概ね正弦波形となる。

本発明に係る第二のエアコンプレッサは、空気を圧縮する圧縮機構を駆動するモータと、モータを制御する制御部と、を備えるものであって、モータは、ステータと、ステータの外側に配置されるロータと、を有するアウターロータモータであり、制御部は、ステータのステータ巻線を流れる誘導電流を検出する検出回路を有し、検出回路で検出した誘導電流に基づいてステータ巻線に印加する電圧を調整するものである。ステータ巻線に流れる電流の波形は、概ね正弦波形となる。

本発明に係る第三のエアコンプレッサは、空気を圧縮する圧縮機構を駆動するモータと、モータを制御する制御部と、を備えるものであって、モータは、ステータと、ステータの外側に配置されるロータと、を有するアウターロータモータであり、制御部は、ステータのステータ巻線に流れる電流を、回転トルクを発生させる電流成分と、ロータに磁束を発生させる電流成分と、に分離してそれらを独立に調整するものである。この際、制御部は、ロータの位置情報に基づいてステータ巻線に印加する電圧を調整することができる。ステータ巻線に流れる電流の波形は、概ね正弦波形となる。

本発明に係る第四のエアコンプレッサは、空気を圧縮する圧縮機構を駆動するモータと、モータを制御する制御部と、を備えるものであって、モータは、ステータと、ステータの外側に配置されるロータと、を有するアウターロータモータであり、制御部は、ベクトル制御によってモータを制御するものである。

かかる構成を採用すると、ベクトル制御によってモータを制御する（すなわち、ロータの位置情報やステータのステータ巻線を流れる誘導電流に基づいてステータ巻線に印加する電圧を調整したり、ステータ巻線に流れる電流を回転トルクを発生させる電流成分とロータに磁束を発生させる電流成分とに分離してそれらを独立に調整したりする）ため、従来の通電制御で発生していた高調波成分を抑制することができる。従って、エアコンプレッサの吐出量を増加させつつ発生音を抑制することができる。また、圧縮機構を駆動するモータとしてアウターロータモータを用いるため、ロータの慣性を増大させることができるので、負荷変動の大きいエアコンプレッサにおいてもモータの回転を安定させることができる。すなわち、圧縮機構に空気を取り込み、圧縮し、圧縮空気を吐き出す、というサイクルを行う際に大きな負荷変動が生じるエアコンプレッサにおいては、ロータの位置を正確に把握することが困難となる傾向があるが、モータとしてアウターロータモータを用いるため、ロータの慣性を増大させてベクトル制御の軸誤差を抑制することができる。このように、本発明においてはベクトル制御及びアウターロータモータの双方を採用することにより、エアコンプレッサの吐出量を増加させつつ発生音を抑制し、かつ、モータ回転の安定化を図ることができる。

本発明の第一～第三のエアコンプレッサにおいて、制御部は、ステータ巻線を流れる誘導電流に基づいてロータの位置情報を推定することができる。本発明に係る第四のエアコンプレッサにおいて、制御部は、モータの電圧及び電流に基づいてロータの位置を推定するセンサレス制御を行うことができる。

かかる構成を採用すると、モータの電圧及び電流やステータのステータ巻線を流れる誘導電流に基づいてロータの位置を推定することができるので、ロータの位置を測定するエンコーダ等の機器を別途設ける必要がない。従って、エアコンプレッサの大型化を抑制することができる。また、モータとしてアウターロータモータを採用しているため、ベクトル制御の軸誤差（実際のロータ位置とロータの推定位置との差）を抑制することができる。

本発明に係る第一～第四のエアコンプレッサにおいて、ロータの位置を検出して検出位置信号を出力する位置センサを備えることができる。かかる場合において、制御部は、位置センサから出力された検出位置信号に基づいて、ロータの推定位置を補正することができる。

かかる構成を採用すると、位置センサから出力されたロータの検出位置信号に基づいて、電圧及び電流に基づいて得たロータの推定位置を補正することができる。従って、例えばエアコンプレッサの負荷変動に起因してロータの推定位置と実際のロータ位置との差（軸誤差）が大きくなった場合においても、位置センサによって得られたロータの位置情報に基づいてロータの推定位置を適宜補正することができるので、モータ回転の安定化を担保することが可能となる。

本発明に係る第一～第四のエアコンプレッサにおいて、モータの温度を検出して温度信号を出力する温度センサを備えることができる。かかる場合において、制御部は、温度センサから出力された温度信号に基づいて、ロータの推定位置を補正することができる。

かかる構成を採用すると、温度センサから出力されたモータの温度信号に基づいて、電圧及び電流に基づいて得たロータの推定位置を補正することができる。従って、例えばエアコンプレッサの負荷変動に起因してロータの推定位置と実際のロータ位置との差（軸誤差）が大きくなった場合においても、温度センサによって得られたモータの温度情報に基づいてロータの推定位置を適宜補正することができるので、モータ回転の安定化を担保することが可能となる。

本発明に係る第一～第四のエアコンプレッサにおいて、ロータは、永久磁石を有することができ、永久磁石の少なくとも一部を、ネオジム磁石で構成することができる。

かかる構成を採用すると、ロータの永久磁石の少なくとも一部を、高磁力のネオジム磁石で構成しているため、エアギャップ面積当りに作用する力を大きくしてトルクを増加させることができ、高効率化を達成することができる。

本発明に係る第一～第四のエアコンプレッサにおいて、ロータの最外径の寸法を、１１０～１６０ｍｍの範囲内に設定することができる。

かかる構成を採用すると、エアコンプレッサの大型化を抑制しながら、圧縮負荷を打ち消すのに充分な慣性エネルギを得ることができる。

本発明によれば、エアコンプレッサの吐出量を増加させつつ発生音を抑制することが可能となる。

本発明の実施形態に係るエアコンプレッサの外観構成の一例を示す平面図である。 図１に示すエアコンプレッサの圧縮機構及びモータの断面図である。 図２に示すモータのIII部分の拡大図である。 図１に示すエアコンプレッサの圧縮機構及びモータをIV方向から見た図である。 図４に示すモータのステータを露出させた状態の図である。 図１に示すエアコンプレッサの圧縮機構及びモータの斜視図である。 図６に示すモータのVII部分の拡大図である。 図１に示すエアコンプレッサの圧縮機構及びモータの他の斜視図である。 図８に示すモータのステータを露出させた状態の斜視図である。 本発明の実施形態に係るエアコンプレッサの機能的構成を説明するためのブロック図である。 本発明の実施形態に係るエアコンプレッサの制御部によるモータのベクトル制御を説明するためのブロック図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の実施形態はあくまでも好適な適用例であって、本発明の適用範囲がこれに限定されるものではない。

＜エアコンプレッサの全体構成＞
まず、図１～図１０を用いて、本発明の実施形態に係るコンプレッサ１の全体構成について説明する。本実施形態に係るエアコンプレッサ１は、それに接続される空圧工具に圧縮空気を提供するように構成されるものであって、圧縮空気を貯留するためのタンク２（図１及び図１０参照）、圧縮空気を生成する圧縮機構１０（図１、図２、図４～図６、図８～図１０参照）、圧縮機構１０を駆動するモータ２０（図２等参照）、モータ２０を制御する制御部３０（図１０参照）、圧縮機構１０等を収納する図示されていない筐体、等を備えている。空圧工具としては、例えば、エアドライバや、ステープル、ピン、ビス、釘等のファスナを打ち込むネイラ等が挙げられる。ユーザは、エアコンプレッサ１を搬送する際等に、筐体に設けられた図示されていないグリップを把持してエアコンプレッサ１を持ち上げることが可能である。

タンク２は、例えば４．４ＭＰａ以下の圧力を有する圧縮空気を貯留することができるように構成されている。タンク２には、図１及び図１０に示すように、圧縮空気を空圧工具に供給するためのエアチャック（圧縮空気の供給口）３Ａ、３Ｂが設けられている。本実施形態に係るエアコンプレッサ１は、高圧の圧縮空気を供給するためのパージ機構付きエアチャック３Ａと、低圧の圧縮空気を供給するためのパージ機構付きエアチャック３Ｂと、を備えている。ここで、パージ機構は、エアホースのプラグをエアチャックから分離する時にエアホース側の残圧をパージ（解放）するための機構である。

パージ機構付きエアチャック３Ａ、３Ｂは、圧縮空気を空圧工具に供給するためのホースを着脱することができるように構成されている。パージ機構付きエアチャック３Ａ、３Ｂの各々には、図１及び図１０に示すように、圧力調整弁を操作するための調圧ダイヤル４Ａ、４Ｂが設けられている。なお、本実施形態に係るエアコンプレッサ１は、高圧の圧縮空気を供給するためのパージ機構無しエアチャックと、低圧の圧縮空気を供給するためのパージ機構無しエアチャックと、をも備えているが、ここでは図示していない。

圧縮機構１０は、モータ２０により駆動されて圧縮空気を生成するものである。圧縮機構１０は、図２に示すように、シリンダ１１と、シリンダ１１内に設けられるピストン１２と、を有し、モータ２０によってピストン１２を往復運動させてシリンダ１１の吸気弁からシリンダ１１内に供給される空気を圧縮することによって、圧縮空気を生成するように構成されている。圧縮された空気は、図１０に示すように、連結パイプ１３を介してタンク２に供給される。本実施形態における圧縮機構１０は、一次シリンダ及び二次シリンダを備える２段圧縮機構である。圧縮機構１０は、一次シリンダ及び二次シリンダの内部に設けられた各ピストンが、クランクケース２４に回転可能に支持されるクランク軸２３に連結され、クランク軸２３が回転することで各ピストンが往復移動し、各ピストンの往復移動で圧縮空気を生成する。圧縮機構１０は、一次シリンダで圧縮された空気を二次シリンダでさらに圧縮することで、より高圧の圧縮空気を生成することができるようになっている。

モータ２０は、圧縮機構１０のピストン１２を往復運動させるための駆動力を発生させる。本実施形態におけるモータ２０は、三相のブラシレスＤＣモータであり、三相のステータ巻線２１ａ、２１ｂ、２１ｃ（図１０参照）を有するステータ２１と、永久磁石２２ａを有しステータ２１の外周に配置されるロータ２２と、を有している。すなわち、本実施形態におけるモータ２０は、アウターロータモータである。三相のステータ巻線２１ａ、２１ｂ、２１ｃを流れる電流によって形成される回転磁界によりロータ２２が回転する結果、ロータ２２の回転軸に接続されるクランク軸２３（図２等参照）と係合するピストン１２が往復運動する。

ステータ２１は、ステータコアとステータ巻線２１ａ、２１ｂ、２１ｃとをモールド樹脂により一体化した構成とされている。ステータコアは、例えば、打ち抜き形成した軟磁性体であるケイ素鋼板を多数枚積層し、かしめて構成したものであって、環状のヨーク部と、このヨーク部の外周部から放射状に突出する多数のティース部と、を有するものを採用することができる。ステータ巻線２１ａ、２１ｂ、２１ｃは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相からなり、ステータコアの各ティース部に巻装されることができる。ステータ２１は、エアコンプレッサ１の筐体のクランクケース２４（図２参照）にモータハウジングを介して固定されている。

ロータ２２は、フレーム、ロータコア及び複数の磁石をモールド樹脂により一体化した構成とされている。この場合、ロータ２２には、その１周にわたって等間隔で複数の永久磁石が設けられており、これら永久磁石の少なくとも一部はネオジム磁石から構成されている。このように高磁力のネオジム磁石を採用することにより、エアギャップ面積当りに作用する力を大きくしてトルクを増加させることができ、高効率化を達成することができる。また、ロータ２２の最外径の寸法は、１１０～１６０ｍｍの範囲内に設定されている。これにより、エアコンプレッサ１の大型化を抑制しながら、圧縮負荷を打ち消すのに充分な慣性エネルギを得ることができる。

ステータ２１において、ロータ２２の永久磁石の端側の位置には、位置センサ４０（図１０参照）が取り付けられている。本実施形態における位置センサ４０は、磁気を感知するホールＩＣであり、ロータ２２の永久磁石のＮ極およびＳ極毎にレベルが反転するセンサ信号を出力する。かかる構成によれば、位置センサ４０から出力されるセンサ信号には、ロータ２２が１周する毎に、永久磁石と同数のパルスエッジが現れることになる。位置センサ４０から出力されるセンサ信号は、制御部３０に送られて、ロータ２２の推定位置の補正に用いられる。

また、ステータ２１の各ステータ巻線２１ａ、２１ｂ、２１ｃには、これら巻線の温度を検出する温度センサとしてのサーミスタ５０（図１０参照）が取り付けられている。サーミスタ５０から出力されるセンサ信号は、制御部３０に送られて、ロータ２２の推定位置の補正に用いられる。ステータ２１の各ステータ巻線２１ａ、２１ｂ、２１ｃの温度が変動するとインダクタンス、抵抗、発電定数等が変動してロータ２２の回転位置の推定精度が低下する場合があるが、このような温度補正を行うことにより、軸誤差を抑制することが可能となる。

なお、圧縮機構１０及びモータ２０が結合されてなるアセンブリには、図７に示すように、突起５が設けられている。この突起５は、モータ２０のケース部材から突出する基板６が他の部材に接触して破損することを防ぐためのものである。

制御部３０は、エアコンプレッサ１の各種機器を統合制御するものであって、図１０に示すように、電源供給切替回路３１、コンバータ回路３２、インバータ回路３３、電流電圧検出回路３４、通信回路３５、ＭＰＵ（Micro Processor Unit）３６、等を有している。

電源供給切替回路３１は、交流電源ＡＣからコンバータ回路３２への電源供給のオン／オフを切り替える。例えば、電源供給切替回路３１は、交流電源ＡＣからコンバータ回路３２への電源供給のオン／オフを切り替えるリレーを含んで構成されてもよいし、或いは、ＦＥＴ等のスイッチング可能な半導体素子を含んで構成されてもよい。エアコンプレッサ１は、交流電源ＡＣに限らず、直流電源を電源としてもよい。この場合、電源供給切替回路３１は、直流電源から次段の回路やモータ２０への電源供給のオン／オフを切り替えるように構成されてもよい。

コンバータ回路３２は、交流電源ＡＣを所定の電圧を有する直流電源に変換し、インバータ回路３３に供給する。コンバータ回路３２は、知られた構成を採用することが可能であり、例えば、交流電圧を直流電圧に変換するためのダイオードを備える整流回路と、直流電圧の電圧を制御するためのスイッチング素子を備える昇圧回路と、直流電圧を平滑にするためコンデンサを備える平滑回路と、を有することができる。

インバータ回路３３は、コンバータ回路３２から供給される直流電源をスイッチングしてモータ２０の三相のステータ巻線２１ａ、２１ｂ、２１ｃに供給する。インバータ回路３３は、知られた構成を採用することが可能であり、例えば、電源線及びグランド線間に三相ブリッジ接続されたＩＧＢＴ（Insulted Gate Bipolar Transistor）又はＦＥＴ（Field Effect Transistor）からなるスイッチング素子を備える。ＭＰＵ３６は、インバータ回路３３のスイッチング素子を制御することにより、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御を実行することが可能である。

電流電圧検出回路３４は、電流検出回路及び電圧検出回路を備える。電流検出回路は、三相のステータ巻線２１ａ、２１ｂ、２１ｃの少なくとも一つに接続され、これに流れる電流を検出する。モータ２０のステータ巻線２１ａ、２１ｂ、２１ｃに流れる電流は、モータ２０の負荷に応じて変動するため、電流検出回路は、モータ２０の負荷を示す情報を取得するように機能する。ＭＰＵ３６は、電流検出回路から、モータ２０の負荷を示す情報を取得し、これに基づいて、コンバータ回路３２及びインバータ回路３３を 制御することが可能である。また、ＭＰＵ３６は、モータ２０の負荷を示す情報を、通信回路３５を介して外部の端末装置に送信する。電圧検出回路は、コンバータ回路３２によって変換された電源電圧を検出する。ＭＰＵ３６は、電圧検出回路から、電源電圧を示す情報を取得し、これに基づいて、コンバータ回路３２及びインバータ回路３３を制御することが可能である。また、ＭＰＵ３６は、電源電圧を示す情報を、通信回路３５を介して外部の端末装置に送信する。

なお、電流電圧検出回路３４の電流検出回路は、モータ２０のステータ巻線２１ａ、２１ｂ、２１ｃに流れる電流を検出する構成に限られるものではなく、例えば、インバータ回路３３を構成する下アーム側のスイッチング素子とグランドとの間に３個のシャント抵抗を配置し、それらの端子電圧に基づいて電流を検出する構成（３シャント抵抗方式）や、共通の（１個の）シャント抵抗の端子電圧に基づいて電流を検出する構成（１シャント抵抗方式）等を採用することもできる。

通信回路３５は、外部の端末装置との間で、無線通信により情報を送受信する。無線通信は、例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ(登録商標)通信規格、無線ＬＡＮ通信規格、Ｚｉ ｇｂｅｅ(登録商標)通信規格等の技術規格に従うことが好ましい。通信回路３５は、例え ば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ通信規格に従って、外部の端末装置との間で情報を送受信する ためのインタフェース回路を備える。なお、本実施形態においては通信回路３５を搭載した制御部３０を例示したが、通信回路３５を制御部３０から分離させることもできる。

ＭＰＵ３６は、電源供給切替回路３１、コンバータ回路３２及びインバータ回路３３ 等を制御することにより、エアコンプレッサ１としての機能を制御する。ＭＰＵ３６は、電源供給切替回路３１を制御することにより、交流電源ＡＣからコンバータ回路３２への電源供給のオン／オフを切り替えることが可能である。具体的には、例えば、ＭＰＵ３６は、電源供給切替回路３１が有するリレーやスイッチング可能な半導体素子（ＦＥＴ等）のオン／オフを制御すること可能である。また、ＭＰＵ３６は、コンバータ回路３２の昇圧回路のスイッチング素子を制御することにより、ＰＡＭ（Pulse Amplitude Modulation)制御を実行することが可能である。さらに、ＭＰＵ３６は、通信回路３５を用いて、負荷情報や電源電圧情報を外部の端末装置に送信するとともに、外部の端末装置から通信回路３５を用いて受信した各種情報に基づいて、モータ２０を制御することができる。また、ＭＰＵ３６は、所定の表示部を制御してもよい。

＜モータの制御＞
次に、図１１を用いて、制御部３０によるモータ２０のベクトル制御及びセンサレス制御について説明する。

ベクトル制御では、ステータ巻線２１ａ、２１ｂ、２１ｃに流れる電流を、界磁である永久磁石の磁束方向と、それに直交する方向と、に分離してそれらを独立に調整し、磁束と発生トルクとを制御する。電流制御には、モータ２０のロータ２２と共に回転する座標系（いわゆるｄ－ｑ座標系）で表わした電流値が用いられる。ｄ軸はロータ２２に取り付けた永久磁石の作る磁束方向であり、ｑ軸はｄ軸に直交する方向である。ステータ巻線２１ａ、２１ｂ、２１ｃに流れる電流のｑ軸成分であるｑ軸電流Ｉｑは、回転トルクを発生させる成分であり（トルク成分電流）、同ｄ軸成分であるｄ軸電流Ｉｄは、磁束を作る成分である（励磁又は磁化成分電流）。

電流電圧検出回路３４の電流検出回路（Ｕ、Ｖ、Ｗ）は、モータ２０の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に流れる電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを検出する。ロータ２２の回転角を横軸にしたグラフでこれらの電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを表すと、相互に１２０°位相が異なる３相の正弦波形が得られる。電流検出回路により検出された電流Ｉｕ、Ｉｖ、ＩｗはＡ／Ｄ変換され、次いでｕｖｗ／ｄｑ座標変換によりｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑに変換される。ここでの座標変換の計算には、モータ２０の電圧及び電流等に基づいて得られるロータ２２の回転位置θの推定値が用いられる。

ロータ２２の回転位置θの推定について説明する。制御部３０は、ｄ軸誘起電圧Ｅｄの式（１）と、ｑ軸誘起電圧Ｅｑの式（２）と、に基づいて得られた式（３）を用いて、ロータ２２の回転位置θの現在のずれ角度（軸誤差）Δθを算出し、この軸誤差Δθをゼロ（目標値）にするようにＰＩ補償演算を行うことによりモータ２０の回転速度ωを推定し、このωの積分からロータ２２の回転位置θを推定する。
Ｅｄ＝Ｖｄ－Ｒ・Ｉｄ＋ω・Ｌｑ・Ｉｑ … （１）
Ｅｑ＝Ｖｑ－Ｒ・Ｉｑ－ω・Ｌｑ・Ｉｄ … （２）
このように、本実施形態の制御部３０は、エンコーダ等の高価な機器を用いることなくロータ２２の回転位置を推定するセンサレス制御を行っている。

制御部３０は、推定した回転速度ωと回転数指令値ω＿refとの差に基づいた比例積分（ＰＩ）演算を行ってｑ軸電流指令値Ｉq＿refを算出するとともに、特定の演算を行ってｄ軸電流指令値Ｉｄ＿refを設定する（例えば、弱め界磁制御を行う必要がある場合はＩｄ＿refを負の値に設定し、それ以外の場合はＩｄ＿refを０に設定する）。そして、制御部３０は、ｄ軸電流指令値Ｉd＿ref及びｑ軸電流指令値Ｉq＿refと、ｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑと、回転数指令値ω＿refと、電圧方程式と、に基づいてｄ－ｑ座標系で表わされた出力電圧指令値Ｖｄ、Ｖｑを得る。

制御部３０は、このように得られた電圧指令値Ｖｄ、Ｖｑを所定のデューティ上限値で制限した後、各相の電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに変換する。この座標変換の計算にも、推定された回転位置θが用いられる（なお、電圧指令値Ｖｄは、既に述べたように回転位置θの推定にも用いられる）。その後、制御部３０は、各相電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに一致する電圧を供給するためのパルス幅変調されたゲート駆動信号を形成する。このように形成されたゲート駆動信号は、インバータ回路３３を構成する各スイッチング素子のゲートに与えられ、それにより各相電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに一致するＰＷＭ変調された三相交流電圧が生成されて、モータ２０のステータ巻線２１ａ、２１ｂ、２１ｃに印加される。

かかる構成において、制御部３０は、比例積分（ＰＩ）演算によるフィードバック制御を行い、ｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑはそれぞれ、ｄ軸電流指令値Ｉd＿ref及びｑ軸電流指令値Ｉq＿refに一致するように制御される。その制御結果としての回転速度推定値ωがフィードバックされ、制御部３０は比例積分演算により偏差Δωをゼロに収束させる。その結果、回転速度ωは指令値ω＿refに一致するようになる。

かかるベクトル制御を採用することにより、従来の１２０°通電制御で発生していた高調波成分を抑制することができる。すなわち、従来の１２０°通電制御においては、モータの１回転中に何回も通電を切り替えることになり、高調波成分が発生する。例えば、モータの回転数が２２００ｒｐｍ（約３６Ｈｚ）であるとすると、基本波成分は、例えば１０極の場合にはＮ極とＳ極の対が５つ存在するため１回転で５回切り替わることになり、３６×５＝１８０（Ｈｚ）となる。このような基本波成分は、本願実施形態におけるベクトル制御においても発生するが、従来の１２０°通電制御では１０極の場合１回転で３０回切り替えるため、３６×３０＝約１１００（Ｈｚ）の高調波成分が現れる。このような約１１００Ｈｚの高調波成分は、エアコンプレッサ１の構造上の共振点に近いため、共振を起こして発生音が増大し易くなる。これに対し、本実施形態のようなベクトル制御を採用すると、このような高調波成分の発生を抑制することができるため、共振に起因する発生音の増大を抑制することが可能となる。

一方、センサレス制御を採用すると、実際のロータ２２の回転位置θ_０と、推定したロータ２２の回転位置θと、の間に差（前述の軸誤差Δθ）が生じることが知られている。特に、本実施形態に係るエアコンプレッサ１においては、圧縮機構１０に空気を取り込み、圧縮し、圧縮空気を吐き出す、というサイクルを行う際に大きな負荷変動が生じることから、モータ２０の制御にセンサレス制御を採用するとこのような軸誤差Δθが生じ易くなる虞があるが、本実施形態においては、モータ２０としてアウターロータモータを用いるため、ロータ２２の慣性を増大させてベクトル制御の軸誤差Δθを抑制することができる。

すなわち、軸誤差Δθは、前述の式（３）によって算出されるが、本実施形態におけるモータ２０のロータ２２（アウターロータ）は慣性モーメントが大きいため回転加速度が小さくなり、これにより、モータ２０の回転速度ω及び電流Ｉｄ、Ｉｑの変化量も小さくなる。すると、回転速度ω及び電流Ｉｄの乗算を含む項が負となっている式（３）の分母においては、この負の項の値が小さくなるため分母の値は大きくなり、回転速度ω及び電流Ｉｑの乗算を含む項が正となっている式（３）の分子においては、この正の項の値が小さくなるため分子の値は小さくなり、これにより、軸誤差Δθの値も小さくなる。このようにモータ２０としてアウターロータモータを採用することにより、実際のロータ２２の回転位置θ_０と、推定したロータ２２の回転位置θと、の間の軸誤差Δθを抑制することができる。

また、負荷変動に起因して軸誤差Δθが徐々に増大していくような場合においても、制御部３０は、ステータ２１に設けた位置センサ４０から出力されるセンサ信号（実際のロータ２２の回転位置θ_０を表す信号）や、ステータ２１の各ステータ巻線２１ａ、２１ｂ、２１ｃに設けたサーミスタ５０から出力されるセンサ信号に基づき、ロータ２２の推定位置を適宜補正することができる。従って、負荷変動下においても、モータ２０の回転を、効率の良い状態で（すなわちモータ２０の回転数（吐出量）を減らすことなく）安定させることができる。

以上説明した実施形態に係るエアコンプレッサ１においては、ベクトル制御によってモータ２０を制御する（すなわち、ロータ２２の位置情報やステータ２１のステータ巻線２１ａ、２１ｂ、２１ｃを流れる誘導電流に基づいてステータ巻線２１ａ、２１ｂ、２１ｃに印加する電圧を調整したり、ステータ巻線２１ａ、２１ｂ、２１ｃに流れる電流を回転トルクを発生させる電流成分とロータ２２に磁束を発生させる電流成分とに分離してそれらを独立に調整したりする）ため、従来の１２０°通電制御で発生していた高調波成分を抑制することができる。従って、エアコンプレッサ１の吐出量を増加させつつ発生音を抑制することができる。また、圧縮機構１０を駆動するモータ２０としてアウターロータモータを用いるため、モータ２０の慣性を増大させ、ベクトル制御（センサレス制御）において発生する軸誤差を抑制することができるので、負荷変動の大きいエアコンプレッサ１においてもモータ２０の回転を安定させることができる。すなわち、ベクトル制御及びアウターロータモータの双方を採用することにより、エアコンプレッサ１の吐出量を増加させつつ発生音を抑制し、かつ、モータ回転の安定化を図ることができる。

また、以上説明した実施形態に係るエアコンプレッサ１においては、モータ２０の電圧及び電流に基づいてロータ２２の位置を推定することができるので、ロータ２２の位置を測定するエンコーダ等の機器を別途設ける必要がない。従って、エアコンプレッサ１の大型化を抑制することができる。なお、モータ２０としてアウターロータモータを採用しているため、ベクトル制御の軸誤差（実際のロータ位置θ_０とロータの推定位置θとの差）Δθを抑制することができることは既に述べた通りである。

また、以上説明した実施形態に係るエアコンプレッサ１においては、位置センサ４０から出力されたロータ２２の検出位置信号に基づいて、電圧及び電流に基づいて得たロータ２２の推定位置θを補正することができる。従って、例えばエアコンプレッサ１の負荷変動に起因してロータ２２の推定位置θと実際のロータ位置θ_０との差（軸誤差Δθ）が大きくなった場合においても、位置センサ４０によって得られたロータ２２の位置情報に基づいてロータ２２の推定位置を適宜補正することができるので、モータ回転の安定化を担保することが可能となる。

また、以上説明した実施形態に係るエアコンプレッサ１においては、サーミスタ（温度センサ）５０から出力されたモータ２０の温度信号に基づいて、電圧及び電流に基づいて得たロータ２２の推定位置θを補正することができる。従って、例えばエアコンプレッサ１の負荷変動に起因してロータ２２の推定位置θと実際のロータ位置θ_０との差（軸誤差Δθ）が大きくなった場合においても、サーミスタ５０によって得られた温度情報に基づいてロータ２２の推定位置θを適宜補正することができるので、モータ回転の安定化を担保することが可能となる。

また、以上説明した実施形態に係るエアコンプレッサ１においては、ロータ２２の永久磁石の少なくとも一部を、高磁力のネオジム磁石で構成しているため、エアギャップ面積当りに作用する力を大きくしてトルクを増加させることができ、高効率化を達成することができる。

また、以上説明した実施形態に係るエアコンプレッサ１においては、ロータ２２の最外径の寸法を１１０～１６０ｍｍの範囲内に設定しているため、エアコンプレッサの１大型化を抑制しながら、圧縮負荷を打ち消すのに充分な慣性エネルギを得ることができる。

本発明は、以上の実施形態に限定されるものではなく、かかる実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。すなわち、前記実施形態が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前記実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

１…エアコンプレッサ
１０…圧縮機構
２０…モータ
２１…ステータ
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ…ステータ巻線
２２…ロータ
２２ａ…永久磁石
３０…制御部
４０…位置センサ
５０…サーミスタ（温度センサ）

Claims (14)

1. 空気を圧縮する圧縮機構を駆動するモータと、前記モータを制御する制御部と、を備えるエアコンプレッサであって、
   前記モータは、ステータと、前記ステータの外側に配置されるロータと、を有するアウターロータモータであり、
   前記制御部は、前記ロータの位置情報に基づいて前記ステータのステータ巻線に印加する電圧を調整する、エアコンプレッサ。
2. 前記制御部は、前記ステータ巻線を流れる誘導電流に基づいて前記位置情報を推定する、請求項１に記載のエアコンプレッサ。
3. 前記ロータの位置を検出して検出位置信号を出力する位置センサを備え、
   前記制御部は、前記位置センサから出力された検出位置信号に基づいて、前記位置情報を補正する、請求項２に記載のエアコンプレッサ。
4. 前記モータの温度を検出して温度信号を出力する温度センサを備え、
   前記制御部は、前記温度センサから出力された温度信号に基づいて、前記位置情報を補正する、請求項２に記載のエアコンプレッサ。
5. 空気を圧縮する圧縮機構を駆動するモータと、前記モータを制御する制御部と、を備えるエアコンプレッサであって、
   前記モータは、ステータと、前記ステータの外側に配置されるロータと、を有するアウターロータモータであり、
   前記制御部は、前記ステータのステータ巻線を流れる誘導電流を検出する検出回路を有し、前記検出回路で検出した誘導電流に基づいて前記ステータ巻線に印加する電圧を調整する、エアコンプレッサ。
6. 空気を圧縮する圧縮機構を駆動するモータと、前記モータを制御する制御部と、を備えるエアコンプレッサであって、
   前記モータは、ステータと、前記ステータの外側に配置されるロータと、を有するアウターロータモータであり、
   前記制御部は、前記ステータのステータ巻線に流れる電流を、回転トルクを発生させる電流成分と、ロータに磁束を発生させる電流成分と、に分離してそれらを独立に調整する、エアコンプレッサ。
7. 前記制御部は、前記ロータの位置情報に基づいて前記ステータ巻線に印加する電圧を調整する、請求項５又は６に記載のエアコンプレッサ。
8. 前記ステータ巻線に流れる電流の波形は、概ね正弦波形である、請求項１、５又は６に記載のエアコンプレッサ。
9. 空気を圧縮する圧縮機構を駆動するモータと、前記モータを制御する制御部と、を備えるエアコンプレッサであって、
   前記モータは、ステータと、前記ステータの外側に配置されるロータと、を有するアウターロータモータであり、
   前記制御部は、ベクトル制御によって前記モータを制御する、エアコンプレッサ。
10. 前記制御部は、前記モータの電圧及び電流に基づいて前記ロータの位置を推定するセンサレス制御を行う、請求項９に記載のエアコンプレッサ。
11. 前記ロータの位置を検出して検出位置信号を出力する位置センサを備え、
    前記制御部は、前記位置センサから出力された検出位置信号に基づいて、前記ロータの推定位置を補正する、請求項１０に記載のエアコンプレッサ。
12. 前記モータの温度を検出して温度信号を出力する温度センサを備え、
    前記制御部は、前記温度センサから出力された温度信号に基づいて、前記ロータの推定位置を補正する、請求項１０に記載のエアコンプレッサ。
13. 前記ロータは、永久磁石を有し、
    前記永久磁石の少なくとも一部は、ネオジム磁石で構成されている、請求項１、５、６又は９に記載のエアコンプレッサ。
14. 前記ロータの最外径の寸法は、１１０～１６０ｍｍの範囲内に設定されている、請求項１、５、６又は９に記載のエアコンプレッサ。

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