JP5687321B1 - 電動機駆動装置、およびそれを内蔵した電動機、ならびにそれを搭載した空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】ディスクリート型のツェナーダイオードを制御部の速度指令電圧入力端子に外部接続した構成において、インバータの最大出力の低下を抑制し、インバータの最大出力を保証することが可能な電動機駆動装置、およびそれを内蔵した電動機、ならびにそれを搭載した空気調和機を得ること。【解決手段】速度指令電圧の最大値のばらつき範囲の下限値をインバータ３の出力が最大となる速度指令電圧入力端子４ａの電圧値のばらつき範囲の上限値よりも大きい値とし、ツェナーダイオード５の降伏電圧のばらつき範囲の上限値が速度指令電圧入力端子４ａの入力電圧の絶対最大定格値よりも小さく、且つ、インバータ３の動作時において、ツェナーダイオード５の降伏電圧の下限値がインバータ３の出力が最大となる速度指令電圧入力端子４ａの電圧値のばらつき範囲の上限値よりも大きくなるように、インバータ３の発熱によりツェナーダイオード５を加熱する。【選択図】図１

Description

本発明は、電動機の固定子巻線に駆動電流を供給するインバータと、外部から入力される速度指令電圧に基づきインバータを駆動制御する制御部とを具備した電動機駆動装置、およびそれを内蔵した電動機、ならびにそれを搭載した空気調和機に関する。

従来、インバータを制御する制御部を静電気やノイズから保護する保護用ツェナーダイオードを制御用電源ラインと接地ラインとの間に具備した構成が知られている（例えば、特許文献１）。

特開２００５−２３７０６３号公報

一般に、上述した保護用ツェナーダイオードは、制御部を構成するＩＣの内部に形成される。このＩＣ内部に形成される保護用ツェナーダイオードは、静電気によるサージ電圧やノイズを除去するものであり、降伏電圧（ツェナー電圧）以上の定常的な電圧の印加、つまり、定常的に電流を流す用途には適していない。

ところで、制御部に入力される速度指令電圧は、電動機外部に設けられた専用ＩＣやマイコンＩＣ等で構成された速度指令電圧生成部により生成される。このとき、制御部の速度指令電圧入力端子への電圧値が制御部の入力電圧の絶対最大定格値を超えないように、速度指令電圧の可変範囲を設定する必要があるが、速度指令電圧生成部の電源電圧のばらつきを考慮して、速度指令電圧の可変範囲を設定すると、制御部側のインバータ出力に対する入力端子電圧のばらつき範囲と速度指令電圧のばらつき範囲とが重なり、速度指令電圧を最大としてもインバータの出力が最大とならない場合が生じる。ここで、制御部側の設計を変更して制御部側のインバータ出力に対する入力端子電圧のばらつき範囲が速度指令電圧のばらつき範囲と重ならないようにすることも可能であるが、この場合には、制御部を構成するＩＣ等のハードウェアの設計を変更する必要がある。一方、速度指令電圧の可変範囲を十分に広く設定した場合、速度指令電圧生成部の電源電圧のばらつきにより、速度指令電圧の可変範囲の上限付近において、制御部を構成するＩＣ内部に形成される保護用ツェナーダイオードの降伏電圧（ツェナー電圧）以上の電圧が定常的に印加されると、ＩＣ内部の保護用ツェナーダイオードの温度が異常上昇する虞がある。また、速度指令電圧生成部の電源電圧のばらつきを抑制する場合には、ＤＣＤＣコンバータ等を用いて速度指令電圧生成部の電源電圧を生成する必要がある。

ここで、制御部を構成するＩＣの内部に形成可能な保護用ツェナーダイオードよりも降伏電流（ツェナー電流）の大きいディスクリート型のツェナーダイオードを速度指令電圧入力端子に外部接続することも考えられる。しかしながら、このディスクリート型のツェナーダイオードを接続した場合においても、個体バラツキや温度特性により降伏電圧（ツェナー電圧）が低下し、速度指令電圧を最大としてもインバータの出力が最大とならない場合がある、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ディスクリート型のツェナーダイオードを制御部の速度指令電圧入力端子に外部接続した構成において、インバータの最大出力の低下を抑制し、インバータの最大出力を保証することが可能な電動機駆動装置、およびそれを内蔵した電動機、ならびにそれを搭載した空気調和機を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる電動機駆動装置は、電動機の固定子巻線に駆動電流を供給するインバータと、外部から入力される速度指令電圧に基づき前記インバータを駆動制御する制御部とを具備した電動機駆動装置であって、アノードが接地され、カソードが前記制御部の速度指令電圧入力端子に外部接続されたディスクリート型のツェナーダイオードを備え、前記速度指令電圧の最大値のばらつき範囲の下限値は、前記インバータの出力が最大となる前記速度指令電圧入力端子の電圧値のばらつき範囲の上限値よりも大きい値であり、前記ツェナーダイオードは、降伏電圧のばらつき範囲の上限値が前記速度指令電圧入力端子の入力電圧の絶対最大定格値よりも小さく、且つ、前記インバータの動作時において、降伏電圧の下限値が前記インバータの出力が最大となる前記速度指令電圧入力端子の電圧値のばらつき範囲の上限値よりも大きくなるように、当該インバータの発熱により加熱されることを特徴とする。

本発明によれば、ディスクリート型のツェナーダイオードを制御部の速度指令電圧入力端子に外部接続した構成において、インバータの最大出力の低下を抑制し、インバータの最大出力を保証することが可能な電動機駆動装置、およびそれを内蔵した電動機、ならびにそれを搭載した空気調和機を得ることができる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態にかかる電動機駆動装置、およびこの電動機駆動装置に出力する速度指令電圧を生成する速度指令電圧生成部の接続構成の一例を示す図である。 図２は、実施の形態にかかる電動機駆動装置に出力する速度指令電圧を生成する速度指令電圧生成部の細部構成の一例を示す図である。 図３は、実施の形態にかかる電動機駆動装置の制御部およびインバータの細部構成の一例を示す図である。 図４は、図１に示すツェナーダイオードを具備していない構成における速度指令電圧とＰＷＭ信号のＤｕｔｙとの関係を示す図である。 図５は、実施の形態にかかる電動機駆動装置における速度指令電圧とＰＷＭ信号のＤｕｔｙとの関係を示す図である。 図６は、ツェナーダイオードの温度特性の一例を示す図である。 図７は、制御用ＩＣの近傍にツェナーダイオードを配置した例を示す図である。 図８は、パワーＩＣの近傍にツェナーダイオードを配置した例を示す図である。 図９は、実施の形態にかかる電動機駆動装置において、ツェナーダイオードをパワーＩＣの近傍に配置した場合における速度指令電圧とＰＷＭ信号のＤｕｔｙとの関係を示す図である。 図１０は、制御部とインバータとを１つのパワーＩＣのパッケージ内に封止した実施の形態にかかる電動機駆動装置の一構成例を示す図である。 図１１は、２チップ構成における実施の形態にかかる電動機の断面図である。 図１２は、１チップ構成における実施の形態にかかる電動機の断面図である。 図１３は、実施の形態にかかる空気調和機の室内機および室外機の概観図である。

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態にかかる電動機駆動装置、およびそれを内蔵した電動機、ならびにそれを搭載した空気調和機について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、実施の形態にかかる電動機駆動装置、およびこの電動機駆動装置に出力する速度指令電圧を生成する速度指令電圧生成部の接続構成の一例を示す図である。図１に示すように、実施の形態にかかる電動機駆動装置１は、速度指令電圧を生成する速度指令電圧生成部２に接続され、主たる構成要素として、図示しない電動機の固定子巻線に駆動電流を供給するインバータ３と、速度指令電圧生成部２から入力される速度指令電圧に基づきインバータ３を駆動制御する制御部４とを具備している。図１に示す例では、電動機側に設けられた電動機駆動装置１と電動機外部に設けられた速度指令電圧生成部２とがリード線１００で接続された例を示している。

また、本実施の形態では、制御部４の速度指令電圧入力端子４ａと接地との間にディスクリート型のツェナーダイオード５が外部接続され、このツェナーダイオード５に流れる電流を制限する電流制限抵抗５ａを備えている。これらツェナーダイオード５および電流制限抵抗５ａを具備する技術的意義については後述する。

図２は、実施の形態にかかる電動機駆動装置に出力する速度指令電圧を生成する速度指令電圧生成部の細部構成の一例を示す図である。

図２に示す例では、速度指令電圧生成部２は、マイクロプロセッサベースのコントローラＩＣであるＭＣＵ１１およびＲＣフィルタ回路１２を含み構成されている。

ＭＣＵ１１内部のＰＷＭ生成部１９により速度指令ＰＷＭ信号が生成され、この速度指令ＰＷＭ信号をＲＣフィルタ回路１２によりアナログ電圧信号に変換することにより、速度指令ＰＷＭ信号のＤｕｔｙと比例する速度指令電圧が生成される。

また、図２に示す例では、ＲＣフィルタ回路１２は、バッファ１３、フォトカプラ１４、抵抗１５，１６，１７、およびコンデンサ１８を含み構成されている。

フォトカプラ１４は、電動機の故障等により速度指令電圧に高電圧が印加されることを想定したものであり、このフォトカプラ１４にて絶縁されることにより、速度指令電圧に高電圧が印加されることを防止している。また、この場合には、フォトカプラ１４の入力電流がＭＣＵ１１内部のＰＷＭ生成部１９によりドライブできる電流より大きくなるので（例えば、１ｍＡ以上）、電流増幅用のバッファ１３を設けている。なお、これらバッファ１３およびフォトカプラ１４の有無により、本発明が限定されるものではない。また、図２に示す例では、ツェナーダイオード５に流れる電流は抵抗１６により制限されるため、図１に示す電流制限抵抗５ａは不要である。

なお、図２に示す例では、ＭＣＵ１１内部のＰＷＭ生成部１９により速度指令ＰＷＭ信号を生成し、この速度指令ＰＷＭ信号をＲＣフィルタ回路１２によりアナログ電圧信号に変換して速度指令電圧を生成する例について説明したが、ＭＣＵ１１内部の図示しないＤＡＣ機能を用いて、速度指令電圧を生成してもよい。また、ＭＣＵ１１を用いず、ＤＡＣ機能のみを有するＤＡＣＩＣを用いて、速度指令電圧を生成してもよいことは言うまでもない。なお、ＭＣＵ１１内部のＤＡＣ機能、あるいはＤＡＣＩＣを用いて速度指令電圧を生成する場合には、後述するツェナーダイオード５の熱耐力を考慮して、出力電流が小さい（例えば、１０ｍＡ以下）ＤＡＣを用いればよい。

図３は、実施の形態にかかる電動機駆動装置の制御部およびインバータの細部構成の一例を示す図である。

図３に示す例では、パワーＩＣ１０ａを構成するインバータ３は、複数のスイッチング素子がブリッジ接続されて構成されている。

インバータ３を構成するスイッチング素子としては、例えば、図３に示すＩＧＢＴであってもよいし、ＭＯＳＦＥＴであってもよい。また、これらをＳｉ（シリコン）系半導体により形成した構成であってもよいし、例えば、ＳｉＣ（炭化珪素）やＧａＮ（窒化ガリウム）系材料、またはダイヤモンド等のワイドバンドギャップ（以下、「ＷＢＧ」という）半導体により形成した構成であってもよい。

また、図３に示す例では、制御用ＩＣ１０ｂを構成する制御部４は、三角波生成回路６、コンパレータ７、および駆動部８を含み構成されている。

速度指令電圧生成部２から入力された速度指令電圧と三角波生成回路６により生成された三角波とがコンパレータ７により比較されて、Ｄｕｔｙが速度指令電圧と比例するＰＷＭ信号が生成される。このＰＷＭ信号が駆動部８内の図示しない三相分配回路により三相のＰＷＭ信号に分配され、図示しないゲートドライブ回路によりインバータ３を構成する各スイッチング素子の駆動信号が生成され、各スイッチング素子に入力されることにより、固定子９の三相の固定子巻線にそれぞれ駆動電流が供給される。

なお、図３に示す例では、固定子巻線の結線をスター形結線としているが、デルタ型結線であってもよい。

つぎに、本実施の形態にかかる電動機駆動装置において、ディスクリート型のツェナーダイオード５および電流制限抵抗５ａを具備する技術的意義について、図１、図２、図４および図５を参照して説明する。図４は、図１に示すツェナーダイオードを具備していない構成における速度指令電圧とＰＷＭ信号のＤｕｔｙとの関係を示す図である。また、図５は、実施の形態にかかる電動機駆動装置における速度指令電圧とＰＷＭ信号のＤｕｔｙとの関係を示す図である。なお、以下の説明では、ＰＷＭ信号のＤｕｔｙに対する制御部４の速度指令電圧入力端子４ａの電圧値のばらつき、速度指令電圧のばらつき、ツェナーダイオード５の降伏電圧（ツェナー電圧）のばらつき等を想定して説明している。これらのばらつき要因としては、各部電源電圧のばらつき、温度特性、部品個体ばらつき等が考えられる。なお、本実施の形態では、制御部４を構成するＩＣ等のハードウェアの設計は変更しないことを前提としている。

図４および図５において、斜線部で示す領域は、ＰＷＭ信号のＤｕｔｙに対する制御部４の速度指令電圧入力端子４ａの電圧値のばらつき範囲を示している。図４および図５に示す例では、インバータ３の出力が０、つまり、ＰＷＭ信号のＤｕｔｙが０％となる速度指令電圧入力端子４ａの電圧値のばらつき範囲が１．６Ｖ〜２．４Ｖであり、インバータ３の出力が最大、つまり、ＰＷＭ信号のＤｕｔｙが１００％となる速度指令電圧入力端子４ａの電圧値のばらつき範囲が４．８Ｖ〜６．１Ｖであり、速度指令電圧入力端子４ａの入力電圧の絶対最大定格値が６．６Ｖである場合の例を示している。

また、図１および図２に示す例では、商用電源をトランスにより変圧して整流した直流電源を速度指令電圧生成部２に供給する場合の例を示している。この場合、速度指令電圧生成部２の電源電圧のばらつきが大きく（図１および図２に示す例では、１３．５Ｖ〜１６．１Ｖ）、この電源電圧の分圧値となる速度指令電圧のばらつきも大きくなる。

ツェナーダイオード５を具備していない構成では、制御部４の速度指令電圧入力端子４ａへの電圧値、つまり、速度指令電圧が速度指令電圧入力端子４ａの入力電圧の絶対最大定格値（６．６Ｖ）を超えないように、速度指令電圧の可変範囲を設定する必要がある。なお、図４に示す例では、速度指令電圧の最大値のばらつき範囲が５．２Ｖ〜６．６Ｖとなる例を示している。

この場合には、図４に示すように、速度指令電圧の最大値のばらつき範囲の下限値（５．２Ｖ）は、インバータ３の出力が最大となる速度指令電圧入力端子４ａの電圧値のばらつき範囲の上限値（６．１Ｖ）を下回ることとなり、速度指令電圧の最大値が５．２Ｖ、インバータ３の出力が最大となる速度指令電圧入力端子４ａの電圧値が６．１Ｖである場合には、ＰＷＭ信号のＤｕｔｙが約７８％となる。つまり、速度指令電圧の最大値のばらつき範囲の下限値がインバータ３の出力が最大となる速度指令電圧入力端子４ａの電圧値のばらつき範囲の上限値を下回り、速度指令電圧の最大値のばらつき範囲とインバータ３の出力が最大となる速度指令電圧入力端子４ａの電圧値のばらつき範囲とが重なる範囲が大きい（図４に示す例では、５．２Ｖ〜６．１Ｖ）場合には、インバータ３の最大出力が著しく低下することとなる。

一方、実施の形態にかかる電動機駆動装置では、ツェナーダイオード５の降伏電圧（ツェナー電圧）のばらつき範囲の上限値は、速度指令電圧入力端子４ａの入力電圧の絶対最大定格値よりも小さく、且つ、ツェナーダイオード５の降伏電圧（ツェナー電圧）の定格値は、インバータ３の出力が最大となる速度指令電圧入力端子４ａの電圧値のばらつき範囲の上限値よりも大きいものとする。図５に示す例では、降伏電圧（ツェナー電圧）の定格値が６．２Ｖ、動作温度が−５℃〜１３５℃である場合のばらつき範囲が６．０Ｖ〜６．５Ｖのツェナーダイオード５を設けている。これにより、速度指令電圧がツェナーダイオード５の降伏電圧（６．０Ｖ〜６．５Ｖ）以上である場合でも、電流制限抵抗５ａを介した速度指令電圧入力端子４ａの電圧値は、ツェナーダイオード５の降伏電圧（６．０Ｖ〜６．５Ｖ）以下に制限され、速度指令電圧入力端子４ａの入力電圧の絶対最大定格値（６．６Ｖ）を超えることはない。

したがって、例えば、図５に示すように、速度指令電圧の最大値のばらつき範囲を６．２Ｖ〜７．２Ｖとし、速度指令電圧の最大値のばらつき範囲の下限値（ここでは、６．２Ｖ）がインバータ３の出力が最大となる速度指令電圧入力端子４ａの電圧値のばらつき範囲の上限値（ここでは、６．１Ｖ）よりも大きくなるように設定しても、ツェナーダイオード５および電流制限抵抗５ａにより、速度指令電圧入力端子４ａへの入力電圧の最大値のばらつき範囲は、ツェナーダイオード５の降伏電圧のばらつき範囲（６．０Ｖ〜６．５Ｖ）内に制限され、このツェナーダイオード５の降伏電圧のばらつき範囲、つまり、速度指令電圧入力端子４ａへの入力電圧の最大値のばらつき範囲とインバータ３の出力が最大となる速度指令電圧入力端子４ａの電圧値のばらつき範囲とが重なる範囲が小さくなり（図５に示す例では、６．０Ｖ〜６．１Ｖ）、インバータ３の最大出力の低下を抑制することが可能となる。なお、図５に示した例では、ツェナーダイオード５の降伏電圧のばらつき範囲とインバータ３の出力が最大となる速度指令電圧入力端子４ａの電圧値のばらつき範囲とが重なる例を示したが、さらに、ツェナーダイオード５の降伏電圧のばらつき範囲の下限値がインバータ３の出力が最大となる速度指令電圧入力端子４ａの電圧値のばらつき範囲の上限値よりも大きくなるようにすれば、インバータ３の最大出力を保証することができる。

ここで、図２に示す例において、制御部４の速度指令電圧入力端子４ａの電圧値が速度指令電圧入力端子４ａの入力電圧の絶対最大定格値（ここでは、６．６Ｖ）を超えない仕組みについて説明する。速度指令電圧がツェナーダイオード５の降伏電圧（ここでは、６．０Ｖ〜６．５Ｖ）を超えると、ツェナーダイオード５に電流が流れるようになり、この分だけ抵抗１６に流れる電流が増加する。これにより、抵抗１６における電圧降下が大きくなり、速度指令電圧入力端子４ａの電圧値が低下し、ツェナーダイオード５の降伏電圧（６．０Ｖ〜６．５Ｖ）で安定する。これにより、速度指令電圧入力端子４ａの電圧値が速度指令電圧入力端子４ａの入力電圧の絶対最大定格値（６．６Ｖ）を超えることはない。

また、図１に示すように、電動機駆動装置１と速度指令電圧生成部２とがリード線１００（例えば、４００ｍｍ程度）で接続されている場合、このリード線１００に静電気によるサージ電圧やノイズが重畳する可能性がある。本実施の形態では、制御部４の速度指令電圧入力端子４ａに設けたツェナーダイオード５により、このような静電気によるサージ電圧やノイズを除去することができる。

なお、制御部４を構成するＩＣ内部に形成可能な静電気によるサージ電圧やノイズを除去するための保護用ツェナーダイオードでは、降伏電流（ツェナー電流）が小さいため、本実施の形態のように速度指令電圧が定常的に保護用ツェナーダイオードの降伏電圧（ツェナー電圧）以上となると、温度が異常上昇して熱破壊を招く虞がある。このため、本実施の形態では、制御部４を構成するＩＣ内部に形成可能な保護用ツェナーダイオードよりも降伏電流（ツェナー電流）の大きいディスクリート型のツェナーダイオード５を速度指令電圧入力端子４ａに外部接続した構成としている。これにより、速度指令電圧が定常的にツェナーダイオード５の降伏電圧（ツェナー電圧）以上となる場合でも、自身の異常温度上昇を抑制してそれに伴う熱破壊を防止するのみならず、制御部４を構成するＩＣ内部に保護用ツェナーダイオードが形成されている場合でも、この保護用ツェナーダイオードに定常的に降伏電圧（ツェナー電圧）以上の電圧が印加されるのを防ぐことができる。

一方で、図５に示すように、ツェナーダイオード５の動作温度が−５℃〜１３５℃である例では、インバータ３の出力が最大、つまり、ＰＷＭ信号のＤｕｔｙが１００％となる速度指令電圧入力端子４ａの電圧値のばらつき範囲が４．８Ｖ〜６．１Ｖであるのに対し、ツェナーダイオード５の降伏電圧のばらつき範囲が６．０Ｖ〜６．５Ｖであるので、速度指令電圧入力端子４ａの電圧値のばらつき範囲の上限値（６．１Ｖ）がツェナーダイオード５の降伏電圧のばらつき範囲の下限値（６．０Ｖ）を上回っている。このため、ＰＷＭ信号のＤｕｔｙが１００％となる速度指令電圧入力端子４ａの電圧値が６．１Ｖ、ツェナーダイオード５の降伏電圧が６．０Ｖである場合には、図５に示すように、ＰＷＭ信号のＤｕｔｙが最大でも約９７％となる。つまり、ツェナーダイオード５の降伏電圧のばらつきによりＰＷＭ信号のＤｕｔｙが１００％とならない場合がある。

図６は、ツェナーダイオードの温度特性の一例を示す図である。また、図７は、制御用ＩＣの近傍にツェナーダイオードを配置した例を示す図である。また、図８は、パワーＩＣの近傍にツェナーダイオードを配置した例を示す図である。図７、図８に示す例では、電動機内蔵基板４５上にパワーＩＣ１０ａ、制御用ＩＣ１０ｂ、およびツェナーダイオード５を配置した例を示している。

図７に示すように、制御用ＩＣ１０ｂに付随する部品であるツェナーダイオード５は、制御用ＩＣ１０ｂの近傍に配置されるのが一般的である。

また、一般に、インバータ３を含み構成されるパワーＩＣ１０ａは、インバータ３を構成するスイッチング素子のスイッチング動作により、制御部４を含み構成される制御用ＩＣ１０ｂよりも高温となる。

ここで、一般にツェナーダイオードの降伏電圧（ツェナー電圧）は、温度の上昇に伴い上昇する。つまり、例えば、図６に示すように、−５℃の環境下において降伏電圧（ツェナー電圧）の下限値が６．０Ｖであっても、２５℃の環境下では降伏電圧（ツェナー電圧）の下限値が上昇する（図６に示す例では６．１Ｖ）。

したがって、本実施の形態では、図８に示すように、制御用ＩＣ１０ｂに付随する部品であるツェナーダイオード５を、インバータ３を含み構成されるパワーＩＣ１０ａの近傍に配置する。つまり、インバータ３の動作時において、パワーＩＣ１０ａの発熱によりツェナーダイオード５を加熱することにより、インバータ３の最大出力の低下をさらに抑制し、ツェナーダイオード５の降伏電圧が速度指令電圧入力端子４ａの電圧値のばらつき範囲の上限値（６．１Ｖ）を下回らないようにしている。

図９は、実施の形態にかかる電動機駆動装置において、ツェナーダイオードをパワーＩＣの近傍に配置した場合における速度指令電圧とＰＷＭ信号のＤｕｔｙとの関係を示す図である。

図８に示すように、ツェナーダイオード５をパワーＩＣ１０ａの近傍に配置し、インバータ３の動作時において、パワーＩＣ１０ａの発熱によりツェナーダイオード５を加熱することにより、例えば、図９に示すように、ツェナーダイオード５の動作温度を２５℃〜１３５℃とし、ツェナーダイオード５の降伏電圧のばらつき範囲を６．１Ｖ〜６．５Ｖとした場合には、インバータ３の出力が最大、つまり、ＰＷＭ信号のＤｕｔｙが１００％となる速度指令電圧入力端子４ａの電圧値のばらつき範囲が４．８Ｖ〜６．１Ｖであるのに対し、ツェナーダイオード５の降伏電圧が速度指令電圧入力端子４ａの電圧値のばらつき範囲の上限値（６．１Ｖ）を下回ることがない。したがって、インバータ３の最大出力を保証することができる。

図１０は、制御部とインバータとを１つのパワーＩＣのパッケージ内に封止した実施の形態にかかる電動機駆動装置の一構成例を示す図である。上述した図３に示す例では、パワーＩＣ１０ａと制御用ＩＣ１０ｂとからなる２チップ構成とした例を示したが、図１０に示すように、制御部４とインバータ３とを１つのパワーＩＣ１０のパッケージ内に封止した１チップ構成とした場合においても、同様の効果を得ることができる。つまり、インバータ３の動作時において、パワーＩＣ１０の発熱によりツェナーダイオード５を加熱することにより、２チップ構成である場合と同様に、インバータ３の最大出力の低下をさらに抑制することができ、インバータ３の最大出力を保証することができる。

図１１は、２チップ構成における実施の形態にかかる電動機の断面図である。また、図１２は、１チップ構成における実施の形態にかかる電動機の断面図である。実施の形態にかかる電動機駆動装置１は、例えば、図１１、図１２に示すようなブラシレスＤＣモータに内蔵することができる。

図１１、図１２に示すブラシレスＤＣモータ（電動機）２００について説明する。電磁鋼板を積層され構成される固定子鉄心４１と固定子巻線４２を絶縁するため、固定子鉄心４１と一体成型されたインシュレータ４３を有する。インシュレータ４３と一体成型された固定子鉄心４１の各スロットに固定子巻線４２が巻きつけられ、固定子４０が構成される。電動機駆動装置１（図３、図１０参照）の各構成要素や、回転子２０の位置を検知するホールＩＣ４９を含む回路を備える電動機内蔵基板４５は、出力側軸受２１ａと固定子４０との間にて回転軸２３の軸線方向に対して垂直に配置され、インシュレータ４３に固定される。また、電動機内蔵基板４５のインバータ３と固定子巻線４２は、巻線端子４４を介して接続される。電動機内蔵基板４５には、速度指令電圧生成部２（図１参照）を含む外部回路と接続するリード線１００（図１参照）を接続するためのコネクタ４８が配置される。固定子４０をモールド樹脂５０で成形したモールド固定子５１は、固定子４０と電動機内蔵基板４５とを一体成型すると共に、内部に回転子２０を収容可能に形成された凹部が設けられてる。

回転子２０は、モールド固定子５１の内側に配置され固定子鉄心４１と対向して回転軸２３の外周側に配置された永久磁石で構成される回転子マグネット２４を有する。センサマグネット２２は、電動機内蔵基板４５のホールＩＣ４９の近傍になるように、回転軸２３を円中心とし回転子２０に配置される。回転子マグネット２４は、フェライト磁石、または、希土類磁石にて構成される。

回転軸２３の一端には回転自在に支持する出力側軸受２１ａを有する。回転軸２３の他端には回転自在に支持する反出力側軸受２１ｂを有する。

導電性ブラケット３０は、モールド固定子５１の凹部の開口部を塞ぐようにしてモールド固定子５１の内周部に嵌め込まれると共に、反出力側軸受２１ｂの外輪が内側に嵌め込まれる。

このように、固定子４０と電動機内蔵基板４５とをモールド樹脂５０で一体成型することにより、電動機内蔵基板４５上に配置されたパワーＩＣ１０ａ（１０）からツェナーダイオード５に効率よく加熱することができる。

図１３は、実施の形態にかかる空気調和機の室内機および室外機の概観図である。上述した実施の形態にかかる電動機２００は、例えば、図１３に示すような空気調和機３００の室内機３０１および室外機３０２に適用することができる。

図１３に示す空気調和機３００について説明する。空気調和機３００は、室内機３０１と、室内機３０１に接続される室外機３０２とを備える。室内機３０１は、室内機用送風機（図示せず）を搭載し、室外機３０２は、室外機用送風機（図示せず）を搭載している。これら室外機用送風機および室内機用送風機の駆動源として、上述した実施の形態にかかる電動機２００を搭載している。

なお、上述した実施の形態にかかる電動機２００は、空気調和機の他にも、例えば換気扇、家電機器、工作機などに搭載して利用することができる。

以上説明したように、実施の形態の電動機駆動装置、およびそれを内蔵した電動機、ならびにそれを搭載した空気調和機によれば、速度指令電圧を生成する速度指令電圧生成部に接続され、主たる構成要素として、電動機の固定子巻線に駆動電流を供給するインバータと、速度指令電圧生成部から入力される速度指令電圧に基づきインバータを駆動制御する制御部とを具備した構成において、制御部の速度指令電圧入力端子と接地との間に、制御部を構成するＩＣ内部に形成可能な保護用ツェナーダイオードよりも降伏電流（ツェナー電流）の大きいディスクリート型のツェナーダイオードを外部接続し、このツェナーダイオードの降伏電圧（ツェナー電圧）のばらつき範囲の上限値を速度指令電圧入力端子の入力電圧の絶対最大定格値よりも小さく、且つ、ツェナーダイオードの降伏電圧（ツェナー電圧）の定格値をインバータの出力が最大となる速度指令電圧入力端子の電圧値のばらつき範囲の上限値よりも大きいものとしたので、速度指令電圧の最大値のばらつき範囲の下限値がインバータの出力が最大となる速度指令電圧入力端子の電圧値のばらつき範囲の上限値よりも大きくなるように設定しても、速度指令電圧入力端子への入力電圧の最大値のばらつき範囲は、ツェナーダイオードの降伏電圧のばらつき範囲内に制限され、速度指令電圧入力端子の入力電圧の絶対最大定格値以下に保たれる。また、ツェナーダイオードの降伏電圧のばらつき範囲、つまり、速度指令電圧入力端子への入力電圧の最大値のばらつき範囲とインバータの出力が最大となる速度指令電圧入力端子の電圧値のばらつき範囲とが重なる範囲が小さくなり、インバータの最大出力の低下を抑制することが可能となる。つまり、速度指令電圧生成部の電源電圧のばらつき、延いては、速度指令電圧のばらつきを抑制するためにＤＣＤＣコンバータ等を用いることなく、安価な回路構成で、また、速度指令電圧の入力側ハードウェアの設計を変更することなく、速度指令電圧入力端子の電圧値をツェナーダイオードの降伏電圧以下に制限しつつ、インバータの最大出力の低下を抑制することが可能となる。

また、インバータを含み構成されるパワーＩＣの発熱によりツェナーダイオードを加熱するようにしたので、インバータの最大出力の低下をさらに抑制することが可能となり、ツェナーダイオードの降伏電圧のばらつき範囲の下限値をインバータの出力が最大となる速度指令電圧入力端子の電圧値のばらつき範囲の上限値よりも大きくすることにより、インバータの最大出力を保証することが可能となる。

また、電動機駆動装置と速度指令電圧生成部とがリード線で接続されている場合、このリード線に静電気によるサージ電圧やノイズが重畳する可能性があるが、本実施の形態では、制御部の速度指令電圧入力端子に設けたツェナーダイオードにより、このような静電気によるサージ電圧やノイズを除去することができる。

また、制御部の外部に、制御部を構成するＩＣ内部に形成可能な保護用ツェナーダイオードよりも降伏電流（ツェナー電流）の大きいディスクリート型のツェナーダイオードを具備した構成としているので、速度指令電圧が定常的にツェナーダイオードの降伏電圧（ツェナー電圧）以上となる場合でも、自身の異常温度上昇を抑制してそれに伴う熱破壊を防止するのみならず、制御部を構成するＩＣ内部に保護用ツェナーダイオードが形成されている場合でも、この保護用ツェナーダイオードに定常的に降伏電圧（ツェナー電圧）以上の電圧が印加されるのを防ぐことができる。

また、固定子と電動機内蔵基板とをモールド樹脂で一体成型することにより、電動機内蔵基板上に配置されたパワーＩＣからツェナーダイオードに効率よく加熱することができる。

なお、上述した実施の形態にかかる電動機駆動装置のインバータ用のスイッチング素子として、ＷＢＧ半導体により形成されたスイッチング素子を用いてもよいことを述べたが、このＷＢＧ半導体により形成されたスイッチング素子を用いることによる効果は、上述した効果にとどまらない。

例えば、ＷＢＧ半導体で形成されたスイッチング素子は、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、小型化が可能であり、これら小型化されたスイッチング素子を用いてパワーＩＣを構成することにより、パワーＩＣの小型化が可能となる。

また、ＷＢＧ半導体で形成されたスイッチング素子は、耐熱性も高いため、パワーＩＣの冷却手段を簡素化することが可能であるので、このパワーＩＣを実装した電動機駆動装置や、それを内蔵した電動機の小型化が可能となる。

さらに、パワーＩＣの冷却手段を簡素化することで、ツェナーダイオードへの加熱効率をより高めることができ、電動機内蔵基板上の部品配置の自由度を増すことができる。

また、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。

以上のように、本発明は、インバータの最大出力の低下を抑制し、インバータの最大出力を保証することができる発明として有用であり、特に、ディスクリート型のツェナーダイオードを制御部の速度指令電圧入力端子に外部接続した構成に適している。

１ 電動機駆動装置、２ 速度指令電圧生成部、３ インバータ、４ 制御部、５ ツェナーダイオード、５ａ 電流制限抵抗、６ 三角波生成回路、７ コンパレータ、８ 駆動部、９ 固定子、１０，１０ａ パワーＩＣ、１０ｂ 制御用ＩＣ、１１ ＭＣＵ、１２ ＲＣフィルタ回路、１３ バッファ、１４ フォトカプラ、１５，１６，１７ 抵抗、１８ コンデンサ、１９ ＰＷＭ生成部、２０ 回転子、２１ａ 出力側軸受、２１ｂ 反出力側軸受、２２ センサマグネット、２３ 回転軸、２４ 回転子マグネット、３０ 導電性ブラケット、４０ 固定子、４１ 固定子鉄心、４２ 固定子巻線、４３ インシュレータ、４４ 巻線端子、４５ 電動機内蔵基板、４８ コネクタ、４９ ホールＩＣ、５０ モールド樹脂、５１ モールド固定子、１００ リード線、２００ 電動機、３００ 空気調和機、３０１ 室内機、３０２ 室外機。

Claims (8)

1. 電動機の固定子巻線に駆動電流を供給するインバータと、外部から入力される速度指令電圧に基づき前記インバータを駆動制御する制御部とを具備した電動機駆動装置であって、
   アノードが接地され、カソードが前記制御部の速度指令電圧入力端子に外部接続されたディスクリート型のツェナーダイオードを備え、
   前記速度指令電圧の最大値のばらつき範囲の下限値は、前記インバータの出力が最大となる前記速度指令電圧入力端子の電圧値のばらつき範囲の上限値よりも大きい値であり、
   前記ツェナーダイオードは、
   降伏電圧のばらつき範囲の上限値が前記速度指令電圧入力端子の入力電圧の絶対最大定格値よりも小さく、且つ、前記インバータの動作時において、降伏電圧の下限値が前記インバータの出力が最大となる前記速度指令電圧入力端子の電圧値のばらつき範囲の上限値よりも大きくなるように、当該インバータの発熱により加熱されることを特徴とする電動機駆動装置。
2. 前記インバータを含み構成されるパワーＩＣと前記制御部を含み構成される制御用ＩＣとからなる２チップ構成であり、
   前記ツェナーダイオードは、前記パワーＩＣの近傍に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の電動機駆動装置。
3. 前記インバータおよび前記制御部を含み構成されるパワーＩＣからなる１チップ構成であり、
   前記ツェナーダイオードは、前記パワーＩＣの近傍に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の電動機駆動装置。
4. 前記速度指令電圧入力端子への前記速度指令電圧の印加経路に抵抗を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電動機駆動装置。
5. 前記インバータを構成するスイッチング素子のうちの少なくとも１つがワイドバンドギャップ半導体で形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の電動機駆動装置。
6. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドであることを特徴とする請求項５に記載の電動機駆動装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の電動機駆動装置が実装された電動機内蔵基板を内蔵し、固定子と前記電動機内蔵基板とがモールド樹脂で一体成型されたことを特徴とする電動機。
8. 請求項７に記載の電動機を搭載したことを特徴とする空気調和機。

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