JP4509735B2 - 電動機の駆動装置及びモールド電動機及び空気調和機及び冷蔵庫及び換気扇 - Google Patents

Description

この発明は、直流ブラシレスモータ等の電動機の駆動装置に関するもので、モータの温度の過度の上昇を防止する技術に関する。

冷凍空調機等の分野では、３相の直流ブラシレスモータが使用されているが、モータのロックや過負荷等の異常状態が発生すると、モータ温度が過度に上昇し、モータの巻線が損傷したり絶縁不良となり、モータに内臓されている各種電気回路、電子回路が破壊される場合がある。

その対策として、従来の直流ブラシレスモータの駆動装置では、モータ温度が、基準温度異常になると温度判別部が検出し、駆動部がこれにより複数のスイッチ素子のオン期間を制限して、モータに供給される駆動電流を抑制し、モータの温度が誤って過度に上昇する事態を防止している（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−２０１２８０号公報

従来の直流ブラシレスモータの駆動装置は、過電流検出回路に感温抵抗素子を使用しているが、その温度−抵抗変化特性のバラツキにより、モータの過熱保護の温度動作範囲が広く、過熱保護の精度に問題があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、モータの過熱保護の温度動作範囲が狭く、高精度の過熱保護ができる電動機の駆動装置を提供することを目的とする。

この発明に係る電動機の駆動装置は、電源ラインに接続される直流電源と、複数のスイッチ素子を有し、直流電源の直流電力を擬似交流電力に変換するインバータ回路と、複数相のコイルを有し、インバータ回路から各相コイルに駆動電流が供給される電動機と、電動機に設けられ、温度によって電気的抵抗値が変化し、トランジスタを介して電源ラインに接続される感温抵抗素子と、この感温抵抗素子が検出した電動機の検出温度を予め定める基準温度と比較し、検出温度が基準温度以上になったか否かを検知する比較回路を有する過電流検出回路と、複数のスイッチ素子を個別にオン／オフ駆動すると共に、比較回路が基準温度以上になったことを検知した場合に、複数のスイッチ素子のオン期間を制限して、電動機に供給される駆動電流を抑制する駆動部とを備えたことを特徴とする。

この発明に係る電動機の駆動装置は、上記構成により、過熱保護の温度動作範囲が狭く、温度変化に対する精度を高くすることが可能となり過熱保護の高精度化を図ることができる。

実施の形態１．
図１〜６は実施の形態１を示す図で、図１は駆動装置の電気的構成を示す回路図、図２は過電流検出回路を示す図、図３は過電流検出回路の他の例を示す図、図４は感温抵抗素子の抵抗温度特性を示す図、図５は温度−電流制限値の関係を示す図、図６は電動機の構成を示す図である。

図１に示すように、駆動装置２１は、インバータ回路２８と、ゲートドライブ回路２９と、三相分配回路３０と、ＰＷＭ回路３２と、過電流検出回路３５と、直流電源４０とから構成されている。
駆動部は、ゲートドライブ回路２９と、三相分配回路３０とで構成される。

また、電動機２２は、３相であって、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の駆動信号Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗが供給される３本のコイル２３、２４、２５を有する固定子と、一対の磁極を有する永久磁石等からなる回転子２６を備えている。

また、電動機２２は、回転子２６の回転速度を検出するためにホール素子等から構成され、各相毎の磁極信号Ｈｕ、Ｈｖ、Ｈｗを出力する磁極検出素子２７を備えている。

この電動機２２のコイル２３、２４、２５はＵ相、Ｖ相及びＷ相の駆動信号Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗをそれぞれ供給するインバータ回路２８に接続されている。このインバータ回路２８には、６つのトランジスタＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６が設けられている。各トランジスタＱ１〜Ｑ６のそれぞれに並列にダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６が接続されている。各ダイオードＤ１〜Ｄ６のアノードは、各トランジスタＱ１〜Ｑ６のエミッタに接続され、トランジスタＱ１〜Ｑ６は直流電源４０に接続されている。

トランジスタＱ１、Ｑ４；Ｑ２、Ｑ５；Ｑ３、Ｑ６の各接続点からＵ相、Ｖ相及びＷ相の駆動信号Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗがそれぞれ出力される。トランジスタＱ１〜Ｑ３のコレクタは、電源ライン３９を介して直流電源４０に接続され、また、トランジスタＱ４〜Ｑ６のエミッタは、電源ライン３９を介して直流電源４０の負極に接続されている。

磁極検出素子２７は、三相分配回路３０に接続されている。三相分配回路３０の出力は、各トランジスタＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６をオン／オフする制御信号を出力するゲートドライブ回路２９に入力される。一方、三相分配回路３０には、ＰＷＭ（パルス幅変換）回路３２と、過電流検出回路３５とが接続されている。

ＰＷＭ回路３２では、速度指令入力部からの信号が三角波発生回路からの三角波と比較回路で比較され、所定の回転速度に対応したオン期間のＰＷＭ信号が三相分配回路３０に出力される。

過電流検出回路３５の構成の概略は以下の通りである。
即ち、過電流検出回路３５は、一例として、電源ライン３９に直列に接続された電流検出用抵抗４１の端子間電圧が一方入力端子に入力される比較回路３６（後述する）と、比較回路３６の他方入力端子に予め定める基準電圧を入力するための基準電源３７とを備える。比較回路３６の出力は、三相分配回路３０に入力される。

以下、図２を参照して、過電流検出回路３５の詳細な構成例について説明する。
過電流検出回路３５は、図２に示すように、電源ライン３９とそこにつながる抵抗、コンデンサ、基準電位、デジタルトランジスタ、感温抵抗素子、比較回路から構成されている。

電源ライン３９には、抵抗値Ｒ１３とＲ１４とが並列に接続された電流検出用抵抗４１が接続され、その一端は接地されている。このとき電流検出用抵抗４１と電源ライン３９間の電位Ｖ１は、抵抗Ｒ１５ ９を介してＶ０となり比較回路３６に接続されている。

Ｖ０の電位はコンデンサＣ１５ １２により接地されている。一方感温抵抗素子ＲＴ１ ４２は一端が基準電圧ＶＢ ２、他端が抵抗分圧抵抗Ｒ１７ １とコンデンサＣ１８ １１とから接地される。このとき基準電位ＶＢ３にはデジタルトランジスタ（抵抗入りのトランジスタ）Ｑ７ ５のベース側に接続され、コレクタ側には抵抗Ｒ１６ ６を介して基準電位ＶＢ ３に接続され、エミッタは接地されている。基準電位ＶＢ ２と基準電位ＶＢ ３とは同電圧である。

このとき基準電位ＶＢ ２は、抵抗Ｒ１２ ７により電位Ｖ０に接続される。Ｖ０の電位が比較回路３６に取り込まれる。また、比較回路３６の他方入力端子には、基準電位Ｖｒｅｆの基準電源３７に接続されている。

感温抵抗素子ＲＴ１ ４２は、例えば、温度を検出する対象の電動機２２のモールド内の基板に実装されている（図６参照）。

感温抵抗素子ＲＴ１ ４２としては、例えばチタン酸バリウムに希土類元素を微量添加したｎ型原子価制御形半導体等が好適である。このような感温抵抗素子ＲＴ１ ４２の一例としてポジスタ（登録商標、村田製作所）の使用が最適である。本実施例で使用される感温抵抗素子ＲＴ１ ４２の温度―抵抗変化比特性の一例が、図４のグラフに示されている。

図２の過電流検出回路では、デジタルトランジスタ（抵抗入りのトランジスタ）Ｑ７ ５を使用する例を示したが、図３のように、トランジスタＱ８と抵抗の組み合わせでもよい。

図２の過電流検出回路３５を、図１の駆動装置２１に搭載して、電動機の過熱保護試験を行った。
試験に使用した電動機は、図６に示すようなモールド樹脂２５で固定子と、感温抵抗素子ＲＴ１ ４２が実装された基板とを一体に成形した直流ブラシレスモータで、軸出力が３０Ｗのものである。
また、感温抵抗素子ＲＴ１ ４２には、前述したポジスタ（登録商標、村田製作所）ＰＲＦ１８ＢＥ４７１を用いた。
上記直流ブラシレスモータを、常温から１１０℃の雰囲気において、直流ブラシレスモータの回転子をロックして、モータ入力電流とモータの温度との関係を調査した。

その結果を図５のグラフに示す。
図５には、従来の駆動装置（例えば、特許文献１）における電流制限値温度特性を曲線Ａ，Ｂ，Ｃで示す。このＡ，Ｂ，Ｃは、図４のものに対応する。
これに対し本実施の形態による電流制限値温度特性は、図５の曲線１７、２３、１８のようになった。

これから解るように、従来の駆動装置による電流制限範囲１９よりも、本実施の形態の駆動装置による電流制限範囲２０は狭くなり、尚且つ傾きが急峻になっている。これによって高精度でばらつきの少ない電流制限が可能となる。この結果、従来の駆動装置の運転温度範囲４５に比べて、本実施の形態の駆動装置の室内機４６の運転動作の温度範囲が広く取れ、電動機の安定動作の温度範囲が広くなり、電動機の性能が向上することが明らかになった。

上記の結果は、本実施の形態の駆動装置２１によって得られるものである。電動機２２がロックや過負荷等の理由で温度が上昇して、感温抵抗素子ＲＴ１ ４２のキュリー温度を超えると、感温抵抗素子ＲＴ１ ４２の抵抗変化比が急速に増大する。これにより、図２における感温抵抗素子ＲＴ１ ４２の一端の基準電位ＶＢ ３が低下し、通常ＯＮ状態のデジタルトランジスタＱ７ ５がＯＦＦすることで、電位Ｖ０が上昇する。電圧Ｖ０が基準電源３７の基準電位Ｖｒｅｆを超えると、比較回路３６から過電流検出信号が出力され、過電流検出回路３５は過電流検出信号を出力し、三相分配回路３０は、この検出信号に基づいて電流制限信号をゲートドライブ回路２９に出力し、インバータ回路２８の各トランジスタＱ１〜Ｑ６のオン時間を短くしていき駆動電流を抑制する。

これにより、電動機２２の温度が過度に上昇する事態を防止できる。すなわち、抑制された駆動電流の供給によって発熱する電動機２２の温度と、電流制限値に対応する感温抵抗素子ＲＴ１ ４２の検知温度とが釣り合う温度で平衡状態となる。

但し、駆動電流を抑制しても、何らかの外的要因により電動機２２の温度が上昇し続けると、さらに駆動電流を抑制し、最終的に駆動電流の供給を停止する。

また、電動機２２がロックや過負荷状態等から解放されると電動機２２の温度が低くなるため、感温抵抗素子ＲＴ１ ４２の抵抗値が正常値に戻り、電動機２２には所定の出力が得られるのに充分な電流が供給できる状態に自動的に復帰する。

制限信号をゲートドライブ回路２９に出力し、インバータ回路２８の各トランジスタＱ１〜Ｑ６のオン時間を短くしていき駆動電流を抑制する。

更に、本実施の形態で感温抵抗素子ＲＴ１ ４２として用いられている素子は、外部温度が常温からキュリー温度に到達するまではほぼ一定の抵抗を示し、外部温度がキュリー温度を超えると急峻な正の温度ー抵抗変化を示すので、電動機２２が正常に回転している場合には、電動機２２の温度がキュリー温度を超える温度等の過度な高温になるまでは、電動機２２の仕様として設定されている出力を得るに十分な電流を電動機２２に供給することができる。

また、電動機２２が過度に高温になると、感温抵抗素子ＲＴ１ ４２が急速に抵抗値を増大させるので、過電流検出回路３５は速やかに電動機２２へ供給される駆動電流値を制限し、或は遮断する。これにより、本実施の形態の過電流検出回路３５は、電動機２２の過度な高温からの保護を確実に図ることができる。

一方、電動機２２が正常に回転してその温度が常温である場合、感温抵抗素子ＲＴ１ ４２の温度はキュリー温度未満であり、駆動装置２１における電流制限値は比較的大きく、電動機２２には所望の出力が得られるに十分な電流が供給される。

即ち、この場合、三相分配回路３０は、電動機２２への通電オン信号を出力する。これにより、ゲートドライブ回路２９は、電動機２２がロック等せず、従って過電流が流れていないとき、所定の回転速度に対応するタイミングで各トランジスタＱ１〜Ｑ６をオン／オフする。

本実施の形態では、図２に示す過電流検出回路の構成により、電動機２２の過熱保護の温度範囲を狭くすることで、高精度の電流制限が出来、また、電動機２２の運転温度範囲を広く取ることが出来る。

感温抵抗素子ＲＴ１ ４２の一端を電源ライン３９からデジタルトランジスタＱ７ ５を介することで間接的に切り離すことで、サージやノイズなどによる感温抵抗素子ＲＴ１ ４２の破壊を防ぐ効果を得る。

また、電源ライン３９から間接的に切り離すことで、感温抵抗素子ＲＴ１ ４２の配置の自由度が増加し回路設計、実装配線が容易になる。

また、感温抵抗素子ＲＴ１ ４２の一端を基準電圧ＶＢ ２に接続することで、電圧を安定させ、感温抵抗素子ＲＴ１ ４２の温度よる電圧降下率の精度向上により過熱保護の高精度化が実現できる。

実施の形態２．
図６は実施の形態２を示す図でもあり、実施の形態１の駆動装置を用いた電動機の一例を示している。
図において、本体基板８には実施の形態１の駆動装置が搭載されている。本体基板８は固定子鉄心１３を有する固定子と共にモールド樹脂２５で一体に成形される。電動機には、コネクタ１４から駆動信号Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗが供給される。
尚、外殻の材料については鋼板でもよい。

実施の形態１の駆動装置を搭載した本体基板８を用いることで、品質の良いモールド電動機が得られる。

実施の形態３．
図７、８は実施の形態３を示す図で、図７は壁掛け形空気調和機を示す図、図８は同室内機の構成を示す図である。
図７において、壁掛け形空気調和機は、室内機４６、室外機４７を備え、室内機４６には室内機用送風機４８ｂ（図８参照）、室外機４７には室外機用送風機３１ａを使用している。
そして、室外機用送風機３１ａ、室内機用送風機３１ｂは上記実施の形態２の電動機により駆動される。

近年の空気調和機は、低騒音化が進んでおり、上記実施の形態２の電動機を空気調和機の主用部品である送風機用電動機として用いることは好適である。

このように構成することで、壁掛け形空気調和機の送風機は品質が向上する。

実施の形態４．
図９、１０は実施の形態４を示す図で、図９は天井埋め込み型空気調和機の室内機を示す図、図１０は同室外機を示す図である。
図９に示すように、天井埋め込み型空気調和機の室内機は、送風機４９を使用している。送風機４９に、上記実施の形態２で示した電動機を搭載することで送風機４９及び天井埋め込み型空気調和機の品質が向上する。

図１０に示すように、天井埋め込み型空気調和機の室外機も、送風機５０を使用している。この送風機５０に上記実施の形態２で示した電動機を搭載することで送風機５０及び天井埋め込み型空気調和機の品質が向上する。

実施の形態５．
図１１は実施の形態５を示す図で、冷蔵庫を示す図である。
図に示すように、冷蔵庫は冷却室に冷却器で生成された冷気を、冷蔵室、冷凍室等に送るための送風機５１を冷却室に備える。

送風機５１に、上記実施の形態２で示した電動機を搭載することで送風機５１及び冷蔵庫の品質が向上する。

実施の形態６．
図１２は実施の形態６を示す図で、換気扇を示す図である。
図に示すように、換気扇は、換気運転を行うための送風機５２を備える。

送風機５２に、上記実施の形態２で示した電動機を搭載することで送風機５２及び換気扇の品質が向上し、低騒音化を実現できる。

実施の形態１を示す図で、駆動装置の電気的構成を示す回路図である。 実施の形態１を示す図で、過電流検出回路を示す図である。 実施の形態１を示す図で、過電流検出回路の他の例を示す図である。 実施の形態１を示す図で、感温抵抗素子の抵抗温度特性を示す図である。 実施の形態１を示す図で、温度−電流制限値の関係を示す図である。 実施の形態１、２を示す図で、電動機の構成を示す図である。 実施の形態３を示す図で、壁掛け形空気調和機を示す図である。 実施の形態３を示す図で、同室内機の構成を示す図である。 実施の形態４を示す図で、天井埋め込み型空気調和機の室内機を示す図である。 実施の形態４を示す図で、は同室外機を示す図である。 実施の形態５を示す図で、冷蔵庫を示す図である。 実施の形態６を示す図で、換気扇を示す図である。

符号の説明

１ 抵抗Ｒ１７、２ 基準電位ＶＢ、３ 基準電位ＶＢ、４ 抵抗Ｒ１６、５ デジタルトランジスタＱ７、７ 抵抗Ｒ１２、８ 本体基板、９ 抵抗Ｒ１５、１１ コンデンサＣ１８、１２ コンデンサＣ１５、１３ 固定子鉄心、１４ コネクタ、２１ 駆動装置、２２ 電動機、２５ モールド樹脂、２８ インバータ回路、２９ ゲートドライブ回路、３０ 三相分配回路、３５ 過電流検出回路、３６ 比較回路、３７ 基準電源、３９ 電源ライン、４０ 直流電源、４１ 電流検出用抵抗、４２ 感温抵抗素子ＲＴ１、４６ 室内機、４７ 室外機、４８ａ 室外機用送風機、４８ｂ 室内機用送風機、４９〜５２ 送風機。

Claims (6)

1. 電源ラインに接続される直流電源と、
   複数のスイッチ素子を有し、前記直流電源の直流電力を擬似交流電力に変換するインバータ回路と、
   複数相のコイルを有し、前記インバータ回路から各相コイルに駆動電流が供給される電動機と、
   前記電動機に設けられ、温度によって電気的抵抗値が変化する正特性の感温抵抗素子と、
   前記感温抵抗素子が検出した前記電動機の検出温度を予め定める基準温度と比較し、前記検出温度が前記基準温度以上になったか否かを検知する比較回路を有する過電流検出回路と、
   前記複数のスイッチ素子を個別にオン／オフ駆動すると共に、前記比較回路が前記基準温度以上になったことを検知した場合に、前記複数のスイッチ素子のオン期間を制限して、前記電動機に供給される駆動電流を抑制する駆動部と、を備え、
   前記過電流検出回路は、
   前記感温抵抗素子の一端が第１の基準電位に接続され、前記感温抵抗素子の他端が抵抗及びコンデンサを介して接地されると共に、ＮＰＮ型トランジスタのベース側に接続され、
   前記トランジスタのコレクタ側には抵抗を介して第２の基準電位が接続され、前記トランジスタのエミッタ側は接地され、前記トランジスタコレクタ側は抵抗を介して前記比較回路の一方の入力端子に接続され、
   電流検出用抵抗が接続された前記電源ラインは抵抗を介して前記比較回路の前記一方の入力端子に接続され、
   前記比較回路の他方の入力端子に予め定める基準電圧を入力するための基準電源を有する構成としたことを特徴とする電動機の駆動装置。
2. 前記トランジスタをデジタルトランジスタで構成したことを特徴とする請求項１記載の電動機の駆動装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の電動機の駆動装置を搭載した基板を固定子とともにモールド樹脂で封入したことを特徴とするモールド電動機。
4. 請求項３記載のモールド電動機を送風機用電動機として搭載したことを特徴とする空気調和機。
5. 請求項３記載のモールド電動機を送風機用電動機として搭載したことを特徴とする冷蔵庫。
6. 請求項３記載のモールド電動機を送風機用電動機として搭載したことを特徴とする換気扇。

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