JP5835137B2 - 電動圧縮機 - Google Patents

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Description

本発明は、圧縮機構が吸入する吸入冷媒により電動モータを駆動するインバータ回路が冷却される電動圧縮機に関する。
従来から、スイッチング素子の温度を検出して、検出温度に応じて搬送波周波数を変更するインバータ装置がある。このようなインバータ装置では、検出温度が上限基準温度以上になったときには、搬送波周波数を初期設定周波数から段階的に低下させ、検出温度が下限基準温度以下になったときには、搬送波周波数を初期設定周波数に復帰させるものが知られている(下記特許文献1参照。)。
特開2011−229304号公報
しかしながら、上記従来技術のインバータ装置は、検出温度が上限基準温度に到達したときに、搬送波周波数を初期設定周波数から段階的に低下させ、スイッチング素子の発熱を抑制するものである。したがって、モータ起動直後等はスイッチング損失が比較的大きく、インバータ回路の温度がオーバーシュートして比較的高温になり易いという問題がある。インバータ回路の温度が高くなりすぎると、インバータ回路を構成する部品にダメージを与える場合がある。
また、検出温度が上限基準温度に到達する度に搬送波周波数を低下させるので、周波数低下に伴いスイッチング損失は抑制できるものの、モータやインバータ回路からキャリア騒音(搬送波周波数に応じてモータやインバータ回路が振動して発する騒音)が頻繁に発生し易いという問題もある。キャリア騒音の発生は、ユーザ等に不快を感じさせる場合がある。
本発明者は、上記両問題点に関し鋭意検討を行い、インバータ回路が電動圧縮機のモータを駆動するものであり、インバータ回路が電動圧縮機に搭載されて圧縮機構が吸入する吸入冷媒で冷却されるものである場合には、モータ起動時のスイッチング素子の温度変化状態や圧縮機構の作動状態に応じて搬送波周波数を変更して設定すれば、両問題点を解決することが可能であることを見出した。
インバータ回路が出力を開始してモータを起動した際には、起動直後は吸入冷媒による冷却効果が極めて少ないため、スイッチング素子の温度は上昇する。その後、吸入冷媒による冷却効果が表れてくると、スイッチング素子の温度上昇は停止し、略一定の温度状態が維持される。また、スイッチング素子の温度上昇が停止した後に温度が若干下降し、その後、略一定の温度状態が維持される場合もある。
このような温度変化がある場合には、スイッチング素子の温度上昇領域では、モータ起動時のスイッチング素子の温度に着目して搬送波周波数を設定すれば、インバータ回路が過度の高温となる温度上昇を抑制することが可能であることを見出した。また、温度上昇が停止した後の領域では、過度の高温となるような大きな温度上昇変化は発生しないので、圧縮機構の作動音等を考慮して搬送波周波数を設定すれば、キャリア騒音を抑制しつつ、ユーザ等がキャリア騒音を感知し難いときにはスイッチング損失の低減が可能であることを見出した。
本発明は、上記点に鑑みてなされたものであり、インバータ回路が過度の高温になることを抑止するとともに、キャリア騒音によるユーザ等の不快感を低減しつつスイッチング損失を抑制することが可能な電動圧縮機を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明では、
制御手段(100)がモータコイルへ出力を開始してモータ(12)を起動した際には、インバータ回路(40)のスイッチング素子の温度が上昇した後に、吸入冷媒により冷却されてスイッチング素子の温度上昇が停止する電動圧縮機であって、
制御手段が、
スイッチング素子の温度上昇が停止する前の温度上昇領域では、モータの起動時のスイッチング素子の温度が高いときほど基準搬送波の搬送波周波数が低くなるように、スイッチング素子の温度もしくはその関連物理量を検出する物理量検出手段(110)の検出値に応じて搬送波周波数を変更し、
スイッチング素子の温度上昇が停止した後の温度上昇停止後領域では、物理量検出手段の検出値に係わらず、圧縮機構(11)の駆動回転数が大きいときほど搬送波周波数が低くなるように、圧縮機構の駆動回転数もしくはその関連物理量に応じて搬送波周波数を変更することを特徴としている。
これによると、温度上昇領域では、モータの起動時のスイッチング素子の温度が高いときほど基準搬送波の搬送波周波数が低くなるように、物理量検出手段の検出値に応じて搬送波周波数が変更される。したがって、モータの起動時のスイッチング素子の温度が比較的高い場合には、温度上昇領域におけるスイッチング動作回数を低減してインバータ回路の温度上昇を抑制することができる。これにより、インバータ回路が過度の高温になることを抑止することができる。
また、温度上昇停止後領域では、物理量検出手段の検出値に係わらず、圧縮機構の駆動回転数が大きいときほど搬送波周波数が低くなるように、圧縮機構の駆動回転数もしくはその関連物理量に応じて搬送波周波数が変更される。したがって、吸入冷媒による冷却効果によってインバータ回路が過度の高温とならない領域では、圧縮機構の作動音が比較的大きいときに、スイッチング動作回数を低減してスイッチング損失を低減することができる。搬送波周波数を低減するとキャリア騒音が発生し易いが、圧縮機構の作動音が比較的大きいときに搬送波周波数を低減するので、ユーザ等がキャリア騒音を感知し難い。これにより、キャリア騒音によるユーザ等の不快感を低減しつつスイッチング損失を抑制することができる。
このようにして、インバータ回路が過度の高温になることを抑止するとともに、キャリア騒音によるユーザ等の不快感を低減しつつスイッチング損失を抑制することができる。
なお、上記各手段に付した括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
本発明を適用した第1の実施形態における電動圧縮機を含む回路を一部ブロックで示した回路図である。 電動圧縮機の概略構造を示す断面図である。 制御装置の概略制御動作を示すフローチャートである。 温度上昇領域の搬送波周波数設定フローを示すフローチャートである。 温度下降領域の搬送波周波数設定フローを示すフローチャートである。 定常領域の搬送波周波数設定フローの一部を示すフローチャートである。 定常領域の搬送波周波数設定フローの残部を示すフローチャートである。 モータ起動時の素子温度が比較的低い場合の素子温度変化と電動圧縮機の回転数の一例を示すグラフである。 モータ起動時の素子温度が比較的高い場合の素子温度変化と電動圧縮機の回転数の一例を示すグラフである。 比較例におけるモータ起動時の素子温度が比較的高い場合の素子温度変化と電動圧縮機の回転数を示すグラフである。
以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した形態と同様とする。実施の各形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施の形態同士を部分的に組み合せることも可能である。
(第1の実施形態)
本発明を適用した第1の実施形態について、図1〜図10を参照して説明する。
図1に示すように、本実施形態の電動圧縮機10のモータ駆動装置は、同期モータ12を駆動するためのものである。電動圧縮機10は、例えば二酸化炭素等を冷媒とする車両用空調装置のヒートポンプサイクル中に配設される圧縮機であり、内蔵する同期モータ12により負荷としての圧縮機構11を駆動する。電動圧縮機10は、圧縮機構11において、気相冷媒を圧縮して(例えば二酸化炭素冷媒であれば臨界圧力以上まで圧縮して)吐出する電動コンプレッサである。本実施形態の同期モータ12は、例えば、磁石を埋設したロータを回転駆動する4極3相コイルを有する同期モータである。
図1に示す直流電源20は、例えば288Vの電圧を出力可能な高電圧バッテリからなる直流電圧の供給源である。直流電源20からインバータ回路40へ延びる一対の母線30には、高電圧リレーシステム50が配設されている。高電圧リレーシステム50は、複数のリレーと抵抗体とにより構成されている。高電圧リレーシステム50は、高電圧を印加するときに、抵抗体を有する経路で電圧印加を開始した後に抵抗体を有しない経路に切り替えを行うことで、母線30に突入電流が流れないようにする機能を有している。
また、高電圧リレーシステム50は、電動圧縮機10等に異常状態が検知された場合には、給電経路を遮断するようになっている。
図1に示すように、直流電源20からインバータ回路40への電力供給経路である一対の母線30間には、平滑手段としてのコンデンサ60、70が介設されている。コンデンサ60は、母線30に対してインバータ回路40と並列に接続された他装置9の影響により変動する電圧を平滑にするために設けられている。ここで、他装置9としては、車両走行用モータ駆動装置、充電装置、降圧DC/DC変換装置等が挙げられる。
例えば、車両に複数のモータ駆動装置が搭載されており、他装置9が車両走行用モータ駆動装置である場合には、直流電源20から給電されるモータ駆動装置のうち、他装置9が主たる駆動装置であり、インバータ回路40を含む電動圧縮機10側の駆動装置が従たる駆動装置である。ここで、主たる駆動装置とは、例えば、従たる駆動装置よりも、直流電源20から給電される入力電力が大きい装置である。また、主たる駆動装置は、両駆動装置への給電が困難なときに、優先的に給電が行われる装置となる場合がある。
このように、他装置9への入力電力が、インバータ回路40を介する電動圧縮機10への入力電力に対して、例えば一桁以上(10倍以上)大きいような場合には、他装置9の影響により、直流電源20から母線30を介してインバータ回路40へ印加される電圧の変動が大きくなり易い。コンデンサ60は、この電圧変動を抑制するために設けられている。
コンデンサ70は、インバータ回路40のスイッチング素子のスイッチングに伴って発生するサージやリプルを吸収するために設けられている。
一方の母線30のコンデンサ60の接続点とコンデンサ70の接続点との間には、コイル80が配設されている。コイル80は、母線30間に並列に設けた2つのコンデンサ60、70の干渉を抑制するために設けられている。コイル80は、コンデンサ60とコンデンサ70との関係により発生する共振周波数を変更すること等を目的として設けられている。
コイル80は、実体としてのコイル体からなるものに限定されず、コンデンサ60、70間の母線30が、その長さや取り回し形状等に応じてコイル要素となるものであってもよい。
インバータ回路40は、同期モータ12のステータコイルに対応したU相、V相、W相の3相分のアームからなり、母線30を介して入力された直流電圧をPWM変調により交流に変換して出力するものである。
U相アームは、スイッチング素子と還流用のダイオードとを逆並列接続した図示上方の上アームと、同じくスイッチング素子とダイオードとを逆並列接続した図示下方の下アームとを直列接続して構成され、上アームと下アームとの接続部から延出した出力線45がモータコイルに接続されている。V相アームおよびW相アームも、スイッチング素子とダイオードとにより同様に構成され、上アームと下アームとの接続部から延出した出力線45がモータコイルに接続されている。
スイッチング素子には、例えば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の素子を用いることができる。また、スイッチング素子とダイオードとからなるアームを、例えば、IGBTと逆導通用ダイオードとを1チップに集積したパワー半導体であるRCIGBT(Reverse Conducting
Insulated Gate Bipolar Transistor)等のスイッチング素子としてもかまわない。
インバータ回路40には、図示を省略しているが、スイッチング素子の温度を検出する温度検出手段が設けられている。この温度検出手段が検出した素子温度は、制御装置100へ出力されるようになっている。
制御手段である制御装置100は、インバータ回路40の各スイッチング素子のスイッチング動作制御を行って同期モータ12の駆動を制御する駆動回路部である。制御装置100は、上位制御手段である空調装置用制御装置101(以下A/C制御装置と呼ぶ場合がある)からの圧縮機回転数指令情報、母線30に設けられた電流検出部90で検出したモータコイル電流値情報、および温度検出手段で検出したスイッチング素子温度情報等を入力し、これらに基づいて、スイッチング信号であるノッチ波を生成して、インバータ回路40へ出力する。
A/C制御装置101は、各種設定条件や各種環境条件等に基づいて車両用空調装置の複数のアクチュエータ機構を駆動制御する制御手段である。A/C制御装置101は、空調ダクト内に設けられて車室内へ空調風を送風する送風機102のモータを、図示を省略した駆動回路を介して駆動制御するようになっている。A/C制御装置101は、送風機102の駆動回転数情報を制御装置100へ出力するようになっている。
図示を省略しているが、送風機102が配設された空調ダクト内には、送風機102よりも下流側に、電動圧縮機10とともに冷凍サイクル装置を構成する蒸発器が配設され、送風空気を冷却するようになっている。送風機102は、車両に搭載される電動圧縮機10とは別の別機器に相当する。
電動圧縮機10は、例えば、自動車のエンジンルーム内に配置されている。電動圧縮機10は、凝縮器、減圧器、および蒸発器とともに、車両空調装置用の冷凍サイクル装置を構成している。
図2に示すように、電動圧縮機10はハウジング1を備えている。ハウジング1は、伝熱性の高いアルミニウム材もしくはアルミニウム合金材等の金属からなるもので、略円筒状に形成されている。ハウジング1には、冷媒吸入口1aおよび冷媒吐出口1bが設けられている。
冷媒吸入口1aは、ハウジング1において軸線方向一方側に配置されている。冷媒吸入口1aには、蒸発器の冷媒出口からの冷媒が流入する。冷媒吐出口1bはハウジング1において軸線方向他方側に配置されている。冷媒吐出口1bは、凝縮器の冷媒入口に向けて冷媒を吐出する。
電動圧縮機10は、圧縮機構11、同期モータ12、インバータ回路40、およびインバータカバー2等から構成されている。同期モータ12は、回転軸13、ロータ14、ステータコア15、およびステータコイル16(モータコイル)等から構成されている。
回転軸13は、ハウジング1内に配置されている。回転軸13はその軸線方向がハウジング1の軸線方向に一致している。回転軸13は、2つの軸受けにより回転自在に支持されている。回転軸13は、ロータ14から受ける回転駆動力を圧縮機構11に伝える。軸受けは、ハウジング1により支持されている。
ロータ14は、例えば永久磁石が埋め込まれたもので、筒状に形成されているものであって、回転軸13に対して固定されている。ロータ14は、ステータコア15から発生される回転磁界に基づいて、回転軸13とともに回転する。
ステータコア15は、ハウジング1内においてロータ14(回転軸13)に対して径方向外周側に配置されている。ステータコア15は、その軸線方向が回転軸13の軸線方向に一致する筒状に形成されている。ステータコア15は、ロータ14との間に隙間を形成している。この隙間は、回転軸13の軸線方向に並行に冷媒を流す冷媒流路17を構成している。
ステータコア15は、磁性体からなるもので、ハウジング1の内周面に支持されている。ステータコイル16は、ステータコア15に対して回巻されている。ステータコイル16は回転磁界を発生する。
圧縮機構11は、同期モータ12に対して軸線方向他方側に配置されている。圧縮機構11は、例えば固定スクロールと可動スクロールとから構成されるスクロール型コンプレッサであって、同期モータ12の回転軸13からの回転駆動力によって可動スクロールを旋回させて冷媒を吸入、圧縮、吐出する。
インバータ回路40は、ハウジング1の取付面1cに装着されている。取付面1cは、ハウジング1の外周部(すなわち、回転軸13の径方向外周側)に形成されている。本実施形態では、取付面1cは、ハウジング1の外周部の上側に位置する。
インバータ回路40は、同期モータ12を駆動する三相電圧を発生する駆動回路を構成している。インバータカバー2は、インバータ回路40を覆うように形成されている。インバータカバー2は、ハウジング1にネジ(図示省略)により締結されている。
ステータコア15の外周壁には、複数の凹部が設けられている。複数の凹部は、それぞれ回転軸13の径方向中心側に凹んで、かつステータコア15に対して軸線方向に並行に延びるように形成されている。
複数の凹部は、回転軸13を中心とする円周方向において同一間隔に配置されている。複数の凹部のぞれぞれは、ハウジング1の内周面との間に冷媒流路18を構成する。ここで、図示上方の凹部の内面には、薄膜状の断熱膜19が設けられている。この断熱膜19は、冷媒通路18のうち図示上方の冷媒通路18aを流れる冷媒とステータコア15との間の熱伝達を妨げる。
なお、図2に示す電動圧縮機10は、図1に示す一点鎖線で囲んだ構成を含んでおり、図2に示すインバータ回路40の搭載室には、制御装置100等も配設されている。制御装置100は、電動圧縮機10の本体とは別に配設されるものであってもよい。
図2に示す同期モータ12のステータコイル16に三相の駆動電流が流れると、ステータコア15から回転磁界が発生するため、ロータ14に対して回転力が発生する。すると、ロータ14が回転軸13とともに回転する。圧縮機構11は、回転軸13からの回転駆動力によって旋回して冷媒を吸入する。
このとき、蒸発器側からの低温低圧の吸入冷媒は、冷媒吸入口1aからハウジング1内へ流入する。そして、この吸入冷媒は、冷媒流路17、18を通過して圧縮機構11側に流れる。吸入冷媒は、圧縮機構11で圧縮され、冷媒吐出口1bから凝縮器側へ吐出される。
一方、インバータ回路40は、その作動に伴って熱を発生する。インバータ回路40が発する熱は、ハウジング1の肉部1nを通して冷媒流路18a内の冷媒に伝わる。
このとき、ステータコイル16は、三相の駆動電流の通電に伴って熱を発生するものの、断熱膜19により冷媒流路18a内の冷媒とステータコア15との間の熱伝達を妨げる。したがって、冷媒流路18a内の吸入冷媒によりインバータ回路40を冷却することになる。
また、ステータコイル16から発生した熱は、ステータコア15を通して冷媒流路17、および、冷媒流路18a以外の冷媒流路18内の吸入冷媒に伝わる。これにより、ステータコア15、およびステータコイル16を吸入冷媒により冷却することができる。
次に、図3〜図7を参照して、制御装置100の制御動作について説明する。以下の制御動作の説明において領域A、領域Bおよび領域Cと説明する場合がある。領域A、領域Bおよび領域Cは、例えば図8に図示した領域である。
前述したように、本実施形態では、インバータ回路40は吸入冷媒により冷却される位置に配設されている。したがって、インバータ回路40が出力を開始して同期モータ12を起動した際には、起動直後は吸入冷媒による冷却効果が極めて少ないため、スイッチング動作に伴う発熱によりスイッチング素子の温度は速やかに上昇する。図8に例示するように、スイッチング素子の温度が上昇する温度上昇領域が領域Aである。
その後、吸入冷媒による冷却効果が表れてくると、スイッチング素子の温度上昇は停止し、温度が緩やかに下降する。図8に例示するように、スイッチング素子の温度が下降する温度下降領域が領域Bである。
さらにその後、吸入冷媒による冷却効果とスイッチング素子の発熱とが均衡すると、若干の上下変動はあるもののスイッチング素子の温度が略一定に維持される定常状態となる。図8に例示するように、スイッチング素子の温度が略一定に維持される定常領域が領域Cである。ここで、領域Bおよび領域Cは、温度上昇が停止した後の温度上昇停止後領域に相当する。
制御装置100は、上述したスイッチング素子の温度変化状態が異なる3つの領域A、領域Bおよび領域Cを区別し、区別した領域毎に基準搬送波(以下キャリア、キャリア波と呼ぶ場合がある)の搬送波周波数(以下キャリア周波数と呼ぶ場合がある)の設定動作を変更している。
図3に示すように、制御装置100は、電動圧縮機10の起動指令を入力したときには、まず、初期値として領域を領域Aに設定する(ステップ105)。そして、次に、スイッチング素子の温度T(n)を取得する(ステップ110)。インバータ回路40のスイッチング素子の温度を検出する温度検出手段を用いて温度T(n)を取得するステップ110は、本実施形態における物理量検出手段に相当する。温度検出手段を物理量検出手段ということもできる。
スイッチング素子の温度T(n)を取得したら、先回ステップ110を実行した際に取得したスイッチング素子の温度T(n−1)との差であるΔTを算出する(ステップ115)。ΔTを算出したら、現在設定されている領域が領域Aであるか否か判断する(ステップ120)。
ステップ120において領域Aであると判断した場合には、ステップ115で算出したΔTが正値であるか否か判断する(ステップ125)。ステップ125においてΔTが正値であると判断した場合、すなわちスイッチング素子の温度が上昇過程にあると判断した場合には、領域を領域Aに設定したままステップ160へ進む。
一方、ステップ125においてΔTが正値でないと判断した場合、すなわちスイッチング素子の温度上昇が停止したと判断した場合には、領域を領域Bに設定し(ステップ130)、ステップ160へ進む。なお、初回のフローでは、ステップ115においてΔTを算出するためのT(n−1)が存在しないので、ステップ115およびステップ125をパスしてステップ160へ進む。
ステップ120において、設定されている領域が領域Aでないと判断した場合には、設定されている領域が領域Bであるか否か判断する(ステップ140)。ステップ140において領域Bであると判断した場合には、ステップ115で算出したΔTの絶対値が所定値より大きいか否か判断する(ステップ145)。ステップ145においてΔTの絶対値が所定値よりも大きいと判断した場合、すなわちスイッチング素子の温度が下降過程にあると判断した場合には、領域を領域Bに設定したままステップ160へ進む。
一方、ステップ145においてΔTの絶対値が所定値以下であると判断した場合には、領域を領域Cに設定し(ステップ150)、ステップ160へ進む。ステップ145においてΔTの絶対値と比較する所定値は、領域Cにおける若干の温度変動を除外することができるように予め設定された値であり、領域Bから領域Cへの移行がなされたか否かを確実に判定できるように決定される。
ステップ140において、設定されている領域が領域Bでないと判断した場合には、設定されている領域は領域Cであるので、領域を領域Cに設定したままステップ160へ進む。ステップ160では、設定されている領域に対応した制御フローにしたがって、キャリア周波数を設定する。
設定されている領域が領域Aである場合には、図4に示すように、まず、スイッチング素子の温度Tを取得する(ステップ210)。この温度Tは、図3に示したステップ110で取得した素子温度T(n)を用いることができる。
スイッチング素子の温度Tを取得したら、温度TがTA以上であるか否か判断する(ステップ220)。ステップ220において温度TがTA未満であると判断(NOと判断)した場合には、温度TがTB以上であるか否か判断する(ステップ230)。ここで、TAとTBとの大小関係は、TA>TBである。
ステップ230において温度TがTB未満であると判断(NOと判断)した場合には、スイッチング素子の温度が比較的低温であるので、キャリア周波数をf0に設定する(ステップ240)。ステップ220において温度TがTA以上であると判断(YESと判断)した場合には、スイッチング素子の温度が比較的高温であるので、キャリア周波数をf1に設定する(ステップ250)。
ステップ230において温度TがTB以上であると判断(YESと判断)した場合には、スイッチング素子の温度がTB以上かつTA未満の中間温度であるので、キャリア周波数をf2に設定する(ステップ260)。ここで、f0、f1、f2の大小関係はf1<f2<f0であり、例えば、f1は5kHz、f2は10kHz、f0は20kHzとすることができる。
ステップ160を実行するときに、設定されている領域が領域Bである場合には、図5に示すように、まず、圧縮機の回転数Ncompを取得する(ステップ310)。ここで取得する圧縮機回転数は、圧縮機構11(すなわち同期モータ12)の回転数の実値であってもよいが、例えばA/C制御装置101から入力される目標回転数指令値であってもかまわない。
圧縮機回転数Ncompを取得したら、回転数NcompがNα以上であるか否か判断する(ステップ320)。ステップ320において回転数NcompがNα未満であると判断(NOと判断)した場合には、回転数NcompがNβ以上であるか否か判断する(ステップ330)。ここで、NαとNβとの大小関係は、Nα>Nβである。
ステップ330において回転数NcompがNβ未満であると判断(NOと判断)した場合には、圧縮機回転数が比較的低回転であるので、キャリア周波数をf0に設定する(ステップ340)。ステップ320において回転数NcompがNα以上であると判断(YESと判断)した場合には、圧縮機回転数が比較的高回転であるので、キャリア周波数をf1に設定する(ステップ350)。
ステップ330において回転数NcompがNβ以上であると判断(YESと判断)した場合には、圧縮機回転数がNβ以上かつNα未満の中間回転数であるので、キャリア周波数をf2に設定する(ステップ360)。
ステップ160を実行するときに、設定されている領域が領域Cである場合には、図6に示すように、まず、各種状態量を取得する(ステップ410)。ここで、各種状態量とは、圧縮機の回転数Ncomp、送風機102の回転数Nblw、図1では図示を省略していたラジエータファンの回転数Nr、車両の走行情報等である。
各種状態量を取得したら、領域Bのときと同様に、ステップ320よおびステップ330を実行して、回転数NcompとNα、Nβとの大小関係を判断する。そして、領域Bのときと同様に、回転数NcompがNα以上であると判断した場合には、ステップ350でキャリア周波数をf1に設定する。また、回転数NcompがNβ以上かつNα未満であると判断した場合には、ステップ360でキャリア周波数をf2に設定する。
回転数NcompがNβ未満であると判断(ステップ330でNOと判断)した場合には、図7に示すステップ420へ進む。ステップ420では、車両が走行中であるか否か判断する。ステップ420において、車両が走行中でないと判断した場合、すなわち車両が停車中であると判断した場合には、ラジエータファンの回転数NrがNrα以上であるか否か判断する(ステップ430)。
ステップ420において車両が走行中であると判断した場合、および、ステップ430において回転数NrがNrα以上であると判断した場合には、ステップ440へ進む。
ステップ440では、ステップ410で取得した状態量のうち送風機102の回転数NblwがNbα以上であるか否か判断する。ステップ440において回転数NblwがNbα未満であると判断(NOと判断)した場合には、回転数NblwがNbβ以上であるか否か判断する(ステップ450)。ここで、NbαとNbβとの大小関係は、Nbα>Nbβである。
ステップ450において回転数NblwがNbβ未満であると判断(NOと判断)した場合には、送風機回転数が比較的低回転であるので、キャリア周波数をf0に設定する(ステップ460)。ステップ440において回転数NblwがNbα以上であると判断(YESと判断)した場合には、送風機回転数が比較的高回転であるので、キャリア周波数をf1に設定する(ステップ470)。
ステップ450において回転数NblwがNbβ以上であると判断(YESと判断)した場合には、送風機回転数NblwがNbβ以上かつNbα未満の中間回転数であるので、キャリア周波数をf2に設定する(ステップ480)。
ステップ430においてラジエータファンの回転数NrがNrα未満であると判断した場合には、回転数NrがNrβ以上であるか否か判断する(ステップ490)。ここで、NrαとNrβとの大小関係は、Nrα>Nrβである。
ステップ490においてラジエータファンの回転数NrがNrβ以上であると判断(YESと判断)した場合には、送風機102の回転数NblwがNbβ以上であるか否か判断する(ステップ500)。
ステップ500において回転数NblwがNbβ未満であると判断(NOと判断)した場合には、キャリア周波数をf0に設定する(ステップ510)。また、ステップ490においてラジエータファンの回転数NrがNrβ未満であると判断(NOと判断)した場合にも、ステップ510へ進みキャリア周波数をf0に設定する。ステップ500において回転数NblwがNbβ以上であると判断(YESと判断)した場合には、キャリア周波数をf2に設定する(ステップ520)。
ステップ490〜ステップ520では、ラジエータファンが比較的低回転であるとき、および、ラジエータファンの回転数が中間回転数であっても送風機回転数が比較的低回転であるときには、キャリア周波数はf0に設定される。また、ラジエータファンの回転数が中間回転数であり、送風機回転数が比較的高回転もしくは中間回転数であるときには、キャリア周波数はf2に設定される。
以上のように、図3に示すステップ160で各領域に対応した制御フローにしたがって搬送波周波数を設定したら、同期モータ12のモータコイルへの印加電圧指令である変調波と、設定した周波数の基準搬送波との比較により、各相アームのスイッチング素子をスイッチングするスイッチング波を生成して、スイッチング波として設定する(ステップ170)。
そして、次に、ステップ170で設定したスイッチング波を各相アームに出力してスイッチング素子を動作制御する(ステップ180)。ステップ180までを実行したら、ステップ110で取得したスイッチング素子の温度T(n)をT(n−1)に代入して、次の1PWM期間の制御のために、ステップ110へリターンする。制御装置100は、例えば50μs毎に図3に示すフローを実行して1PWM期間毎のスイッチング出力を行うようになっている。
上述の構成および作動によれば、電動圧縮機10は、制御装置100がステータコイル16への出力を開始して同期モータ12を起動した際には、インバータ回路40のスイッチング素子の温度が上昇した後に、吸入冷媒により冷却されてスイッチング素子の温度上昇が停止する圧縮機である。
そして、制御装置100は、スイッチング素子の温度上昇が停止する前の温度上昇領域である領域Aでは、同期モータ12起動時のスイッチング素子の温度が高いときほど基準搬送波の搬送波周波数が低くなるように、検出した温度Tに応じて搬送波周波数を変更している。
これによると、温度上昇領域では、同期モータ12の起動時のスイッチング素子の温度が高いときほど基準搬送波の搬送波周波数が低くなるように、温度検出手段の検出値に応じて搬送波周波数が変更される。したがって、同期モータ12の起動時のスイッチング素子の温度が比較的高い場合には、温度上昇領域におけるスイッチング動作回数を低減してインバータ回路40の温度上昇を抑制することができる。これにより、インバータ回路40が過度の高温になることを抑止することができる。
図4で説明した例では、温度TをTA、TBの2つの閾値と比較することにより、温度が高いときほど基準搬送波の搬送波周波数が低くなるように、搬送波周波数を段階的に変更するようになっている。
したがって、図8に示すように、モータ起動時の素子温度Tが、TBよりも低いT0である場合には、領域Aにおいて搬送波周波数はf0→f2→f1の順に順次変更される。一方、図9に示すように、モータ起動時の素子温度Tが、TAよりも高いT1である場合には、領域Aにおいて搬送波周波数はf1に設定される。
図8および図9から明らかなように、モータ起動時のスイッチング素子の温度が比較的高いT1である場合には、領域Aにおけるスイッチング動作回数を低減してインバータ回路40の温度上昇を抑制することができる。これにより、インバータ回路40を構成するスイッチング素子を含む部品がダメージを受けることを抑制することができる。
図10に示す比較例のように、モータ起動時の素子温度Tに係わらず常に搬送波周波数をf0とした場合には、例えばモータ起動時の素子温度TがTAよりも高いT1であったときには、スイッチング動作に伴う昇温が大きく、インバータ回路40を構成する部品の許容温度をオーバーしてしまう。
なお、本例では、モータ起動時の温度Tに応じて、領域Aにおける搬送波周波数をf0→f2→f1の順に変更する場合、搬送波周波数をf2→f1の順に変更する場合、および、搬送波周波数をf1とする場合があるが、これに限定されるものではない。例えば、モータ起動時の温度Tに応じて、領域Aにおける搬送波周波数をf0、f2、f1のいずれかに固定するものであってもよい。
また、本実施形態の制御装置100は、スイッチング素子の温度上昇が停止した後の温度上昇停止後領域である領域Bおよび領域Cでは、検出温度Tに係わらず、圧縮機構11の駆動回転数が大きいときほど搬送波周波数が低くなるように、圧縮機構11の駆動回転数に応じて搬送波周波数を変更している。
これによると、温度上昇停止後領域では、温度検出手段の検出値に係わらず、圧縮機構11の駆動回転数が大きいときほど搬送波周波数が低くなるように、圧縮機構11の駆動回転数に応じて搬送波周波数が変更される。したがって、吸入冷媒による冷却効果によってインバータ回路40が過度の高温とならない領域では、圧縮機構11の作動音が比較的大きいときに、スイッチング動作回数を低減してスイッチング損失を低減することができる。搬送波周波数を低減するとキャリア騒音が発生し易いが、圧縮機構11の作動音が比較的大きいときに(キャリア騒音をマスキング可能なときに)搬送波周波数を低減するので、ユーザ等がキャリア騒音を感知し難い。これにより、キャリア騒音によるユーザ等の不快感を低減しつつスイッチング損失を抑制することができる。
以上述べたように、本実施形態によれば、インバータ回路40が過度の高温になることを抑止するとともに、キャリア騒音によるユーザ等の不快感を低減しつつスイッチング損失を抑制することができる。
また、温度上昇停止後領域は、スイッチング素子の温度が下降する温度下降領域である領域Bと、スイッチング素子の温度下降が停止した後にスイッチング素子の温度が略一定となる定常領域である領域Cとからなっている。
これによると、スイッチング素子の温度が略一定となる定常領域ばかりでなく、モータ起動から定常領域に至る過渡領域のうち、吸入冷媒の冷却効果が表れる温度下降領域においても、キャリア騒音によるユーザ等の不快感を低減しつつスイッチング損失を抑制することができる。したがって、一層キャリア騒音によるユーザ等の不快感を低減しつつスイッチング損失を抑制することができる。
また、電動圧縮機10は、回転駆動する送風機102やラジエータファン等の別機器とともに車両に搭載されている。そして、制御装置100は、定常領域において、圧縮機構11の駆動回転数が所定回転数(本例ではNβ)よりも小さい場合には、別機器の駆動回転数が大きいときほど搬送波周波数が低くなるように、別機器の駆動回転数に応じて搬送波周波数を変更している。
これによると、スイッチング素子の温度が略一定となる定常領域では、圧縮機構11の駆動回転数が所定回転数よりも小さい場合には、別機器の駆動回転数が大きいときほど搬送波周波数が低くなるように、別機器の駆動回転数に応じて搬送波周波数が変更される。したがって、圧縮機構11の作動音が比較的小さいときであっても、別機器の作動音が比較的大きくユーザ等がキャリア騒音を感知し難いときに、スイッチング動作回数を低減してスイッチング損失を低減することができる。これにより、より一層キャリア騒音によるユーザ等の不快感を低減しつつスイッチング損失を抑制することができる。
また、上記した別機器の極めて有効な一例は、車両用空調装置の送風機102である。車両用空調装置の送風機102の送風に伴う音は、車両に搭乗した乗員に極めて感知され易い。したがって、圧縮機構11の作動音が比較的小さいときであっても、送風機102の送風に伴う音が比較的大きくユーザ等がキャリア騒音を極めて感知し難いときに、スイッチング動作回数を低減してスイッチング損失を低減することができる。これにより、より一層確実にキャリア騒音によるユーザ等の不快感を低減しつつスイッチング損失を抑制することができる。
本例では、圧縮機回転数NcompがNβよりも小さく、圧縮機構11の作動音が比較的小さい場合には、車両走行中は、送風機102の回転数Nblwに応じて搬送波周波数を変更している。車両が走行しているときには、ユーザ等が車両の周囲にいることを考慮する必要がない。したがって、車室内に搭乗しているユーザ等がキャリア騒音により不快を感じないようにすることが好ましい。
そこで、車両走行中は、送風機102の回転数Nblwに応じて搬送波周波数を変更する。これにより、送風機102の送風に伴う音が比較的大きく車室内のユーザ等がキャリア騒音を極めて感知し難いときに、スイッチング動作回数を低減してスイッチング損失を低減することができる。
また、本例では、車両が走行していないときには、ラジエータファンの回転数Nrが比較的高い場合(Nrα以上である場合)に、車両走行中と同様に送風機102の回転数Nblwに応じて搬送波周波数を変更している。これによると、車両の周囲にユーザ等がいたとしても、ラジエータファンの回転数Nrが比較的高くファン騒音が比較的大きい場合には、キャリア音を感知し難い。そこで、車両が走行しておらず、ラジエータファンの回転数Nrが比較的高い場合には、車両走行中と同様に、車室内に搭乗している車室内のユーザ等が送風機102の送風音によりキャリア騒音を極めて感知し難いときに、スイッチング動作回数を低減してスイッチング損失を低減している。
また、車両が走行しておらず、ラジエータファンの回転数Nrが比較的低い場合(Nrβ未満の場合)には、ファン騒音が小さくキャリア騒音を感知し易いので、搬送波周波数を高く設定してキャリア騒音の発生を抑制している。また、車両が走行しておらず、ラジエータファンの回転数Nrが中間回転数である場合(Nrβ以上かつNrα未満である場合)には、車室内の送風機102の送風音も考慮して搬送波周波数を設定している。
このように、スイッチング素子の温度が略一定となる定常領域では、圧縮機構11の駆動回転数Ncompが所定回転数よりも小さい場合(Nβ未満の場合)に、別機器の駆動に伴って発生する音によりキャリア騒音が感知され難い状態に応じてスイッチング動作回数を低減して、スイッチング損失を低減することができる。
(他の実施形態)
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。
上記実施形態では、制御装置100は、領域Aから領域Bへの設定切り替え、および、領域Bから領域Cへの設定切り替えを、それぞれΔTを利用した1回の判定で行っていたが、これに限定されるものではない。例えば複数回の判定により領域の設定切り替えを行うものであってもよい。複数回連続して同一所定条件を満たしたときに領域設定切り替えを行うものであってもよいし、複数回の取得値の平均が所定条件を満たしたときに領域設定切り替えを行うものであってもよい。
また、上記実施形態では、制御装置100は、インバータ回路40のスイッチング素子の温度を温度検出手段で検出して、領域A、領域Bおよび領域Cの設定、および、領域Aにおけるキャリア周波数の選択設定をしていたが、これに限定されるものではない。スイッチング素子の温度と関連のある物理量を検出して、領域設定およびキャリア周波数設定を行ってもよい。
例えば、インバータ回路40が設けられた回路基板や、スイッチング素子以外の実装素子(コイル要素やコンデンサ要素等を含む)の温度を検出するものであってもよい。また、インバータカバー2の温度を検出するものであってもよい。また、温度に限らず、電圧値や電流値等の状態量を検出するものであってもよい。スイッチング素子の温度もしくは上記したスイッチング素子温度の関連物理量を検出する手段は、いずれも物理量検出手段に相当する。
また、領域A、領域Bおよび領域Cの設定には、モータ起動時からの経過時間を用いてもよい。領域設定にスイッチング素子温度の関連物理量として経過時間を用いる場合には、構成部品の公差等によりスイッチング素子の温度変化がばらつく場合を考慮して、安全側(確実に温度変化が完了する長時間側)に設定することが好ましい。
また、領域設定およびキャリア周波数設定を行うために検出するスイッチング素子の温度およびその関連物理量は、1つではなく、2つ以上であってもかまわない。例えば、スイッチング素子の温度とコンデンサ70の温度とを用いてもよい。すなわち、複数の物理量情報に基づいて、領域の設定切り替えや領域Aにおけるキャリア周波数の設定を行うものであってもよい。
また、上記実施形態では、各領域において判定条件に応じてキャリア周波数をf0、f2、f1の3段階に変更するものであったが、これに限定されるものではない。2段階もしくは4段階以上に変更するものであってもよい。また、段階的に変更するものに限らず、例えば連続的に変更するものであってもかまわない。また、領域毎にキャリア周波数の変更パターンが異なってもかまわない。
また、上記実施形態では、スイッチング素子の温度が変化する領域を、領域A、領域Bおよび領域Cに区分けしていたが、これに限定されるものではない。例えば領域B(温度下降領域)がない温度変化をする場合、すなわち、温度上昇領域から定常領域へ移行する温度変化をする場合であっても、本発明を適用して有効である。
また、上記実施形態では、領域Bおよび領域Cにおいて、圧縮機構11の駆動回転数を判定に用いていたが、これに限定されるものではない。例えば出力等の圧縮機構駆動回転数の関連物理量を判定に用いてもよい。
また、上記実施形態では、制御手段100は、領域Bと領域Cとでは異なるキャリア周波数設定制御を行っていたが、これに限定されるものではない。温度上昇停止後領域である領域Bおよび領域Cにおいて共通のキャリア周波数設定制御を行うものであってもよい。例えば、領域Bおよび領域Cの両領域とも例えば図5で説明したキャリア周波数設定制御を行うものであってもよい。
また、上記実施形態では、インバータ回路40は、ハウジング1の外面のうち、内部に同期モータ12が収容された所謂モータハウジングの外面に取り付けられていたが、これに限定されるものではない。インバータ回路40は、吸入冷媒により冷却される位置に取り付けられていればよい。例えば、インバータ回路40は、ハウジング1の圧縮機構11を収容した部分(所謂圧縮機構ハウジング)の外面のうち、内部を吸入冷媒が流通する部位に取り付けられるものであってもよい。また、例えば、インバータ回路40がハウジング1の内面に取り付けられて、吸入冷媒と直接的もしくは間接的に接触するものであってもよい。
また、上記実施形態では、電動圧縮機は回転駆動する別機器とともに車両に搭載されるものであり、別機器は、空調装置の送風機およびラジエータファンであったが、これに限定されるものではない。例えば、別機器は、車両走行用の電動モータ等の他の電動機であってもよいし、車軸やタイヤ等の回転駆動体であってもかまわない。
また、上記実施形態では、同期モータ12は3相モータであったが、これに限定されるものではない。例えば、4相以上の複数相のモータであってもかまわない。
また、上記実施形態では、電動圧縮機10は車両用空調装置のヒートポンプサイクル用であったが、これに限定されるものではない。例えば、車両に搭載される冷凍冷蔵庫のヒートポンプサイクル用であってもよいし、コンテナに搭載されるヒートポンプサイクル用であってもよい。また、移動式のヒートポンプサイクル用ではなく、定置式のヒートポンプサイクル用であってもかまわない。
1 ハウジング
11 圧縮機構
12 同期モータ(モータ)
16 ステータコイル(モータコイル)
40 インバータ回路
100 制御装置(制御手段)
102 送風機(別機器)

Claims (4)

  1. 冷媒を吸入圧縮する圧縮機構(11)と、
    複数相のモータコイルを有し、前記圧縮機構を駆動する電動式のモータ(12)と、
    前記圧縮機構および前記モータを収納するとともに、前記圧縮機構が吸入する吸入冷媒が内部を流通するハウジング(1)と、
    前記ハウジングに取り付けられて、前記吸入冷媒により冷却可能な位置に配置され、前記複数相に対応して設けられたスイッチング素子を有するインバータ回路(40)と、
    前記スイッチング素子の温度もしくはその関連物理量を検出する物理量検出手段(110)と、
    前記複数相の各相への印加電圧指令である変調波と基準搬送波との比較結果に基づいて生成したノッチ波によって前記スイッチング素子をスイッチングし、直流電圧をPWM変調により交流電圧に変換して前記複数相のモータコイルへ出力するように前記インバータ回路を制御する制御手段(100)と、を備え、
    前記制御手段が前記出力を開始して前記モータを起動した際には、前記スイッチング素子の温度が上昇した後に、前記吸入冷媒により冷却されて前記スイッチング素子の温度上昇が停止する電動圧縮機であって、
    前記制御手段は、
    前記温度上昇が停止する前の温度上昇領域では、前記モータの起動時の前記スイッチング素子の温度が高いときほど前記基準搬送波の搬送波周波数が低くなるように、前記物理量検出手段の検出値に応じて前記搬送波周波数を変更し、
    前記温度上昇が停止した後の温度上昇停止後領域では、前記物理量検出手段の検出値に係わらず、前記圧縮機構の駆動回転数が大きいときほど前記搬送波周波数が低くなるように、前記圧縮機構の駆動回転数もしくはその関連物理量に応じて前記搬送波周波数を変更することを特徴とする電動圧縮機。
  2. 前記温度上昇停止後領域は、前記スイッチング素子の温度が下降する温度下降領域と、前記スイッチング素子の温度下降が停止した後に前記スイッチング素子の温度が略一定となる定常領域と、からなることを特徴とする請求項1に記載の電動圧縮機。
  3. 回転駆動する別機器(102)とともに車両に搭載されるものであって、
    前記制御手段は、
    前記定常領域において、前記圧縮機構の駆動回転数が所定回転数よりも小さい場合には、前記別機器の駆動回転数が大きいときほど前記搬送波周波数が低くなるように、前記別機器の駆動回転数もしくはその関連物理量に応じて前記搬送波周波数を変更することを特徴とする請求項2に記載の電動圧縮機。
  4. 前記別機器は、車両用空調装置の送風機であることを特徴とする請求項3に記載の電動圧縮機。
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