JP7398616B2 - モータ駆動装置およびこれを用いた冷蔵庫 - Google Patents

Description

本開示は、インバータ制御によりブラシレス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ものである。

特許文献１は、レシプロ圧縮機の負荷トルク変動に対する振動の抑制を図ったモータ駆動装置を開示する。このモータ駆動装置は、インバータ３と、ブラシレスＤＣモータ４と、ブラシレスＤＣモータ４の回転位置を判定する回転位置判定手段１０６と、第１ＰＷＭ発生手段１０８と、第２ＰＷＭ発生手段１０９と、圧縮機の回転位置に応じて第１ＰＷＭ発生手段１０８または第２ＰＷＭ発生手段１０９のどちらかを選択する選択手段１１０を備える。

特開２００６－２７３２号公報

本開示は、トルク脈動を有する負荷の駆動において、駆動振動の低減と、振動に伴う駆動騒音も低減でき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、ブラシレスＤＣモータと、ブラシレスＤＣモータに電力を供給するインバータと、ブラシレスＤＣモータにより駆動されると共に周期的な脈動トルクを有する負荷と、インバータの出力電力を調整することで、ブラシレスＤＣモータを任意の速度で駆動する速度制御手段と、 ブラシレスＤＣモータの角速度あるいは所定の回転角度を回転する時間から負荷の周期的な変動を検出する負荷検出手段を有し、インバータは、負荷の変動に応じてブラシレスＤＣモータへの供給電力を変化させて駆動する。

本開示におけるモータ駆動装置は、ブラシレスＤＣモータによるトルク脈動を有する負荷の駆動において、駆動振動及び振動に伴う駆動騒音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及びそれを用いた冷蔵庫の構成を示すブロック図 実施の形態１におけるモータ駆動装置のタイミングチャート 実施の形態１におけるモータ駆動装置の圧縮機の１サイクル（ブラシレスＤＣモータの１回転）の負荷トルクを示す図 実施の形態１におけるモータ駆動装置の圧縮機駆動時のブラシレスＤＣモータの位置検出間隔を示す図 実施の形態１におけるモータ駆動装置のＰＷＭデューティ補正量を示す図 実施の形態１におけるモータ駆動装置のブラシレスＤＣモータ駆動でのＰＷＭデューティを示す図 実施の形態１におけるモータ駆動装置のブラシレスＤＣモータの速度脈動を示す図 従来のモータ駆動装置の構成を示すブロック図

（本開示の基礎となった知見等）
従来、この種のモータ駆動装置は、同期モータの１回転中の１／３区間で流す電流をその他の区間より大きくすることで、レシプロ圧縮機の負荷トルク変動に対する振動の抑制を図っている（例えば、特許文献１参照）。

図８は、上記特許文献１に記載された従来のモータ駆動装置の構成を示すブロック図である。

図８において、従来のモータ駆動装置は、インバータ３と、ブラシレスＤＣモータ４と、ブラシレスＤＣモータ４の回転位置を判定する回転位置判定手段１０６と、第１ＰＷＭ発生手段１０８と、第１ＰＷＭ発生手段１０８よりオン時間デューティが高い第２ＰＷＭ発生手段１０９と、圧縮機６の回転位置に応じて第１ＰＷＭ発生手段１０８または第２ＰＷＭ発生手段１０９のどちらかを選択する選択手段１１０を有し、回転位置判定手段１０６の信号から圧縮機６の機械工程を検出し、選択手段１１０は、機械工程に応じて、第１ＰＷＭ発生手段１０８か第２ＰＷＭ発生手段１０９かを選択するようにしている。

しかしながら、前記従来のモータ駆動装置の構成では、圧縮機６の回転位置を検出し、検出した回転位置により第１ＰＷＭ発生手段１０８か第２ＰＷＭ発生手段１０９に切り替えて、回転位置に応じた電力をブラシレスＤＣモータ４に供給している。

したがって、回転位置の誤検出や検出できなかった場合、適切な電力をブラシレスＤＣモータ４に供給できなくなり、圧縮機６の駆動振動を十分に低減することが出来ないという課題を有していた。

発明者らは、以上のような課題があることを発見し、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、駆動振動の低減と、振動に伴う駆動騒音を低減可能な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を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。

なお、添付図面及び以下の説明は、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１～７を用いて実施の形態１を説明する。

［１－１．構成］
図１において、本実施の形態におけるモータ駆動装置２５は、整流平滑回路２と、インバータ３と、位置検出手段１０と、速度検出手段１１と、誤差検出手段１２と、速度制御手段１３と、負荷検出手段１４と、位相調整部１５と、補正演算部１６と、波形生成手段１７と、ドライブ手段１８とを備えている。そして、モータ駆動装置２５は、圧縮要素５を負荷とするブラシレスＤＣモータ４を駆動する。

交流電源１は、一般的な商用電源であり、日本国内ではＡＣ１００Ｖ５０Ｈｚまたは６０Ｈｚである。整流平滑回路２は、商用電源を整流平滑し、直流電圧に変換する。整流平滑回路２は、リレー２ｃを有し、整流平滑回路２の整流方式を全波整流か倍電圧整流化を切り替えることで、出力電圧を２段階に切り替えるようにしている。

インバータ３は、直列接続した２個のスイッチング素子を３組並列に接続した６個のスイッチング素子３ａ～３ｆにより構成されている。ブラシレスＤＣモータ４は、図示しない３相固定子巻線を持つ固定子と永久磁石を持つ回転子により構成され、３相巻き線は、インバータ３の直列接続された２個のスイッチング素子（３ａと３ｄ、３ｂと３ｅ、３ｃと３ｆ）のそれぞれの接続点につながれている。

圧縮要素５は、冷凍サイクルの冷媒ガスの吸入、圧縮、吐出と、１サイクルにおいて負荷トルクが異なる工程を有する。この圧縮要素５は、ブラシレスＤＣモータ４の負荷として、その回転子（図示せず）の軸（図示せず）に接続されている。このため、ブラシレスＤＣモータ４の１回転中において負荷トルクは大きく変動する。

そして、ブラシレスＤＣモータ４と圧縮要素５を同一の密閉容器（図示せず）に収納し、圧縮機６を構成し、圧縮された冷媒ガスは、圧縮機６の吐出側から凝縮器７に送られ、減圧器８、蒸発器９を通って圧縮機６の吸入側に戻るような冷凍サイクルを構成する。

位置検出手段１０は、ブラシレスＤＣモータ４の端子電圧から回転子（図示せず）の磁極位置を検出する。速度検出手段１１は、位置検出手段１０からの位置信号を基に、ブラシレスＤＣモータ４の駆動速度として回転速度と位置検出間隔毎の区間速度を検出する。

誤差検出手段１２は、ブラシレスＤＣモータ４の駆動速度と目標速度との偏差および、検出した位置検出間隔と、目標速度における転流間隔との偏差を検出する。ブラシレスＤＣモータ４に接続した圧縮要素５は、１回転中にトルク脈動を有する負荷であるため、回転角における位置検出間隔毎の変化から、ブラシレスＤＣモータ４の１回転中の速度脈動を知ることができる。

またブラシレスＤＣモータ４の１回転中における速度誤差は、速度制御手段１３により駆動速度と目標速度が一致する様に速度フィードバック制御に用いる。

速度制御手段１３は、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御によりブラシレスＤＣモータ４の駆動速度が目標速度で駆動するように、インバータ３がブラシレスＤＣモータ４に出力する電圧を調整する。

負荷検出手段１４は、誤差検出手段１２により得た、位置検出間隔誤差から、１回転中に変動する圧縮要素５の負荷状態を位置検出毎に検出する。

位相調整部１５は、負荷検出手段１４で検出した負荷情報に対し、回転子に接続された負荷の慣性により生じた位相遅れを補正し、印加トルクと検出した負荷の位相を一致させる。

補正演算部１６は、負荷検出手段１４で検出、位相調整した回転角毎の負荷から、負荷トルク脈動による速度の変動を抑制するために、ＰＷＭ制御によるスイッチング素子（３ａ～３ｆ）のオン時間時比率（オン時間デューティ）の補正量を演算する。

波形生成手段１７は、速度制御手段１３で設定したブラシレスＤＣモータ４を目標速度で駆動するために必要となるＰＷＭオン時間デューティと、位相調整部１５により位相調整された補正演算部１６によるオン時間デューティの補正量とを合成して通電角９０度以上、１５０度未満の駆動波形を生成し、ドライブ手段１８によりインバータ３の各スイッチング素子（３ａ～３ｆ）を駆動する。

本実施の形態におけるモータ駆動装置２５を用いた冷蔵庫１９は、圧縮機６と、凝縮器７と、減圧器８と、蒸発器９で構成される冷凍サイクルを備え、蒸発器９は、断熱材２０で囲まれた食品貯蔵室２１を冷却する。

［１－２．動作］
以上のように構成された実施の形態１のモータ駆動装置２５について、以下その動作と作用について説明する。

まず位置検出手段１０の動作について図１および図２を用いて説明する。図２は、本実施の形態１におけるモータ駆動装置２５のタイミングチャートであり、Ｕ相端子電圧波形Ｖｕ，ブラシレスＤＣモータ４の回転により発生するＵ相誘起電圧波形Ｅ、各相高圧側スイッチング素子の駆動信号Ｕ＋、Ｖ＋、Ｗ＋と磁極位置の検出タイミングを示している。

なお図２において３相固定子巻線の通電角は１２０度とし、Ｖ相およびＷ相の端子電圧および誘起電圧波形はＵ相と±１２０度ずれた同様の波形となる。またブラシレスＤＣモータ４の速度制御に上側スイッチング素子（３ａ～３ｃ）をＰＷＭ制御により高周波でオン／オフ（Ｕ＋、Ｖ＋、Ｗ＋の斜線部）を行うため、端子電圧波形にもＰＷＭ制御に伴う高周波成分が重畳するが本図では省略している。

インバータ３から電力を供給する３相固定子巻線の切替は、ブラシレスＤＣモータ４の回転子の回転位置（磁極位置）に基づき行われ、その回転位置として誘起電圧のゼロクロスポイントを検出する。

ゼロクロスポイントの検出は、当該３相固定子巻線への電圧印加がされていない（Ｕ相のゼロクロスポイント検出では、図１におけるスイッチング素子３ａ、３ｄの両方がオフとなる）区間（Ｃ１、Ｃ２）に現れる誘起電圧とインバータ入力電圧Ｖｄｃの１／２の大小関係が反転するポイント（Ｐ１、Ｐ２）を位置検出手段１０によって位置検出信号として検出する。

よって電気角１周期あたり各相２回、３相合計で６回、ブラシレスＤＣモータ４の１回転ではさらに極対数倍（たとえば６極モータでは１８回）の位置信号が発生する。この位置信号検出タイミングを起点として、ブラシレスＤＣモータ４の３相巻き線の通電相を決定し切り替える。

次にブラシレスＤＣモータ４の速度制御について説明する。

位置検出手段１０は、永久磁石を有するブラシレスＤＣモータ４の回転子の回転により発生する誘起電圧のゼロクロスポイントを位置信号として検出するため、位置信号には、ブラシレスＤＣモータ４の回転速度情報を含んでいる。従って速度検出手段１１は、位置検出手段１０の位置信号間隔からブラシレスＤＣモータ４の速度を検出する。

具体的には、各位置検出の間隔を検出するとともに、ブラシレスＤＣモータ４の１回転（６極モータの場合は１８回）分の位置検出間隔の和からブラシレスＤＣモータ４の回転速度を検出する。そして誤差検出手段１２により検出したブラシレスＤＣモータ４の速度と目標速度との速度差が無くなるように、速度制御手段１３は、速度フィードバック制御でブラシレスＤＣモータ４の駆動速度を制御する。

目標速度に対してブラシレスＤＣモータ４の実際の駆動速度が遅い場合、インバータ３からブラシレスＤＣモータ４への供給電力が増加するために、インバータ３の各スイッチング素子（３ａ～３ｆ）のＰＷＭ制御におけるオン時間デューティを上げ、目標に対して駆動速度が速い場合はオン時間デューティを下げることでブラシレスＤＣモータ４の速度制御を行う。

次にＰＷＭデューティ補正について説明する。

図３は、圧縮機６の１サイクル（ブラシレスＤＣモータ４の１回転）における負荷トルクを示したグラフである。図３に示すように圧縮機６は、１サイクル中に冷媒ガスの圧縮、吐出、吸入と、負荷トルクが異なる工程を推移するため、ブラシレスＤＣモータ４の１回転中に周期的な負荷トルク脈動を発生させる。この負荷トルク脈動が、ブラシレスＤＣモータ４の１回転中に周期的な速度変動（速度脈動）を発生させ、圧縮機６の駆動振動および振動に伴う騒音の原因となる。

図４は、圧縮機６の１サイクル（ブラシレスＤＣモータ４の１回転）における位置検出手段１０での位置検出の間隔を示している。本実施の形態では６極のブラシレスＤＣモータ４を使用しているため、１回転あたり１８回、すなわち回転角２０度毎に位置検出信号が発生する。

図４に示すように、圧縮機６に組み込まれたブラシレスＤＣモータ４は、１回転中に位置検出間隔が周期的に変動、即ち速度脈動が生じていることが分かる。従って負荷検出手段１４は、ブラシレスＤＣモータ４の各回転位置における目標速度の位置検出間隔と実際に検出した位置検出間隔の差（誤差検出手段１２の転流間隔誤差出力）から、１回転における負荷および、その変動を検出する。

また図３に示す圧縮機６の負荷トルクがピークとなる回転角に対し、図４に示す位置検出間隔が最大（即ち角速度が最低）となる回転角とは、回転子および回転子に接続された負荷の慣性により一定の位相ズレが発生している。即ち転流間隔誤差、つまり駆動速度の脈動から検出した負荷状態は、実際の負荷トルクより遅れた位相で現れている。従って、ブラシレスＤＣモータ４（圧縮機６）の各回転角における負荷状態を知るためには、速度脈度から検出した負荷状態に対して、位相差を補正する必要がある。

従って、位相調整部１５は、圧縮機６の負荷トルクと印加トルクとの位相関係が一致する様に、所定の位相を付加し調整する。本実施の形態における冷蔵庫用の圧縮機６では、速度および負荷（圧縮機６の吸入および吐出圧力）状態によらず位相差は、ほぼ一定であるため、位相調整部１５は一定の調整量を付加する様にしている。

補正演算部１６は、位相調整を行った圧縮機６の負荷情報を基に、負荷トルク脈動で生じる速度脈動を抑制するため、速度フィードバック制御に基づき速度制御手段１３で設定したＰＷＭデューティに付加する補正量を算出する。

このようにして算出したＰＷＭデューティ補正量を図５に示す。図５に示す様に図３に示したブラシレスＤＣモータ４の負荷トルクが最大となる回転角で、ＰＷＭデューティ増加により印加トルクを増やし、負荷トルクが低い回転角では印加トルクを減少する様に補正する。

なお、圧縮機６駆動の場合、１回転におけるブラシレスＤＣモータ４の速度脈動は、吐出圧力と吸入圧力差が大きくかつ吐出圧力が高い場合や、慣性力が小さい低速時ほど大きくなり、駆動振動が増大する傾向にある。負荷検出手段１４は、誤差検出手段１２で検出した位置検出間隔毎の目標区間速度と実際の区間速度の誤差から算出する。従って補正演算部１６で得られる補正量は、速度脈動が大きいほど補正量（即ち速度脈動が大きく駆動振動が大きいほど、振動を抑制するためのＰＷＭデューティ補正量）が大きくなり、圧縮機６の負荷状態により適切な補正量が付加できる。

図６は、本実施の形態におけるモータ駆動装置２５の波形生成手段１７で生成したＰＷＭデューティを示したグラフで、補正演算部１６で設定したＰＷＭデューティ補正量と、速度フィードバック制御に基づき速度制御手段１３で設定した基本ＰＷＭデューティを合成する。さらに波形生成手段１７では、位置検出手段１０によるブラシレスＤＣモータ４の位置信号を基にブラシレスＤＣモータ４の通電巻線を切り替え、１２０度通電波形を生成し、ＰＷＭデューティと合成することで、インバータ３の出力波形、すなわちブラシレスＤＣモータ４の駆動波形を生成する。そしてドライブ手段１８によりインバータ３を駆動する。

このようにして生成したブラシレスＤＣモータ４の駆動波形は、負荷トルクが大きい圧縮工程でＰＷＭデューティを上げ、印加トルクを増加させる。圧縮工程での印加トルク増大は、負荷トルクとの差を減少することになるため、印加トルク不足により生じるブラシレスＤＣモータ４の加速度が減少する。その結果、圧縮工程における速度低下が抑制される。また負荷トルクが小さい吐出および吸入工程では、ＰＷＭデューティを下げることで印加トルクを抑制する。これにより負荷トルクと印加トルクとの差が縮小するため、印加トルク過多によるブラシレスＤＣモータ４の加速が抑えられ目標速度に対する速度上昇が低減される。

図７は、ブラシレスＤＣモータ４の１回転における位置検出間隔の変動を示したグラフである。図７に示すように、本発明によりブラシレスＤＣモータ４の回転角における位置検出間隔の変化幅、つまり１回転における速度脈動が縮小されたことが確認できる。即ち、圧縮機６のトルク脈動に応じてＰＷＭデューティを補正・適正化することは、ブラシレスＤＣモータ４の圧縮工程での速度低下と、吸入工程での速度上昇の抑制が図れ、ブラシレスＤＣモータ４の１回転中の速度脈動が抑制された。

圧縮機６の速度脈動（即ち１回転中の加減速）は、圧縮機６の振動発生要因となるため、本実施の形態におけるモータ駆動装置２５は、圧縮機６のような周期的なトルク脈動を有する負荷の駆動振動を低減することが可能となる。実際の発明者らの実験において、本実施の形態におけるモータ駆動装置２５により圧縮機６を駆動したとき、圧縮機６の駆動振動が最大５０％以上抑制できることが確認出来ている。

また、圧縮機６の駆動振動は、図示しない配管等周辺部の共振等による駆動騒音の要因ともなるため、圧縮機６の駆動振動が抑制されることで配管等の周辺部の騒音低減効果も得られる。

近年の冷蔵庫は、真空断熱材（図示せず）の採用など断熱技術の向上により、外部からの熱侵入が非常に少なくなっている。このため扉（図示せず）の開閉が頻繁に行われる朝夕の家事時間帯を除けば、１日の大半で冷蔵庫の食品貯蔵室２１内は安定した冷却状態にあり、圧縮機６は低速での駆動が行われている。さらに家庭用の冷蔵庫１９に用いられているレシプロ型の圧縮機６は、負荷トルク脈動による駆動振動が低速駆動ほど増加する傾向にある。従って、圧縮機６の低速駆動での低振動化は、冷蔵庫１９の静音化のために、重要な性能のひとつである。

よって本実施の形態における低振動・低騒音のモータ駆動装置２５を含む冷凍サイクルを冷蔵庫１９に搭載することで、低振動・低騒音の冷蔵庫１９が提供可能となる。

また冷蔵庫１９の省エネには、低負荷時に圧縮機６を低速で駆動して冷凍能力を低下させ冷凍サイクルのシステム効率を向上させることは非常に有効であるが、先述のように圧縮機６の低速化には駆動振動の増大が伴うため、実用可能な下限速度が制限される。しかし本実施の形態におけるモータ駆動装置２５を用いた冷凍サイクルは、圧縮機６の駆動振動を抑制できるため、実用可能な冷蔵庫１９の圧縮機６の下限速度の引き下げができるため、冷凍サイクルのシステム効率向上による冷蔵庫１９の省エネも図ることができる。

［１－３．効果等］
以上のように、本実施の形態において、モータ駆動装置２５は、インバータ３と、速度制御手段１３と、負荷検出手段１４を有する。インバータ３は、ブラシレスＤＣモータ４に電力を供給する。負荷となる圧縮要素５は、ブラシレスＤＣモータ４により駆動されると共に周期的な脈動トルクを有する。

速度制御手段１３は、インバータ３の出力電力を調整して、ブラシレスＤＣモータ４を任意の速度で駆動する。

負荷検出手段１４は、ブラシレスＤＣモータ４の角速度あるいは所定の回転角度を回転する時間から圧縮要素５の周期的な変動を検出する。インバータ３は、圧縮要素５の変動に応じてブラシレスＤＣモータ４への供給電力を変化させて駆動する。これにより、周期的に変動する負荷トルク脈動に合わせた適切な電力をブラシレスＤＣモータ４に与えて、負荷脈動により生じる速度変動を抑制することができ、さらブラシレスＤＣモータ４の駆動振動を低減することができる。

また、ブラシレスＤＣモータ４で冷凍サイクルの圧縮機６を駆動することにより、圧縮機６の低速時に大きくなる負荷トルク脈動の影響により生じる駆動振動を低減することが可能になる。

さらに、冷蔵庫１９に、上記実施の形態におけるモータ駆動装置２５により駆動され低振動の圧縮機６を搭載することで、その圧縮機６を振動源とした共振による収納食品の振動防止と、収納食品の振動により発生する騒音、さらには圧縮機６の振動による配管共振等による騒音を低減することが可能な冷蔵庫を提供することができる。また、圧縮機６の低振動化により実用可能な下限速度の引き下げにより冷凍サイクル効率が向上し、消費電力量が少ない冷蔵庫１９の提供が可能となる。

本開示は、ブラシレスＤＣモータによるトルク脈動を有する負荷の駆動において、駆動振動及び振動に伴う駆動騒音を低減することができるので、モータ駆動装置に適用可能である。具体的には、モータ駆動装置を用いた冷蔵庫、各種冷蔵・冷凍機器に適用可能である。

１ 交流電源
２ 整流平滑回路
２ｃ リレー
３ インバータ
４ ブラシレスＤＣモータ
５ 圧縮要素（負荷）
６ 圧縮機
７ 凝縮器
８ 減圧器
９ 蒸発器
１０ 位置検出手段
１１ 速度検出手段
１２ 誤差検出手段
１３ 速度制御手段
１４ 負荷検出手段
１５ 位相調整部
１６ 補正演算部
１７ 波形生成手段
１８ ドライブ手段
１９ 冷蔵庫
２０ 断熱材
２１ 食品貯蔵室
２５ モータ駆動装置
１０６ 回転位置判定手段
１０８ 第１ＰＷＭ発生手段
１０９ 第２ＰＷＭ発生手段
１１０ 選択手段

Claims (2)

1. ブラシレスＤＣモータと、
   前記ブラシレスＤＣモータに電力を供給するインバータと、
   前記ブラシレスＤＣモータにより駆動されると共に周期的な脈動トルクを有する負荷と、
   前記インバータの出力電力を調整することで、前記ブラシレスＤＣモータを任意の速度で駆動する速度制御手段と、
   前記ブラシレスＤＣモータの角速度あるいは所定の回転角度を回転する時間から前記負荷の周期的な変動を検出する負荷検出手段を有し、
   前記ブラシレスＤＣモータは冷凍サイクルの圧縮機を駆動するモータ駆動装置であり、
   前記負荷は、前記ブラシレスＤＣモータの１サイクル中に冷媒ガスの圧縮工程、吐出工程、吸入工程で負荷トルクが異なる工程を推移し、前記ブラシレスＤＣモータの１回転中に周期的な負荷トルク脈動を発生させ、
   前記インバータは、前記負荷の周期的に変動する負荷トルク脈動に合わせて前記ブラシレスＤＣモータへの供給電力を変化させて駆動するモータ駆動装置。
2. 請求項１に記載のモータ駆動装置により駆動される圧縮機を有する冷蔵庫。

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