JPH04275091A - 無整流子電動機の駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、空気調和機などに使
用する無整流子電動機の駆動制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】空気調和機の圧縮機駆動用として、直流
電動機とほぼ同じ特性を有し、しかも機械的な整流機構
を全く備えない、いわゆる無整流子電動機（ブラシレス
電動機とも称す）が使用されている。

【０００３】無整流子電動機の駆動を行なうものとして
は、たとえば特公昭５８−２５０３８号公報に示される
ものがあるが、そこでは電機子巻線に誘起する電圧を基
に回転子の位置を検出し、駆動信号を生成している。こ
こで、無整流子電動機の回転数Ｎは、下式により決定さ
れる。 Ｎ＝Ｋ・｛（Ｅｓ−Ｉａ・Ｒａ）／Φ｝

【０００４】Ｋ
は定数。Ｅｓはインバータ回路の出力電圧（無整流子電
動機への供給電圧）。Ｉａは電機子巻線に流れる電流。 Ｒａは電機子巻線の抵抗。Φは回転子から電機子巻線に
有効に作用する磁束である。一般には、チョッパニによ
り出力電圧Ｅｓを変化させて回転数制御を行なっている
。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、無整流子電
動機の回転数Ｎはインバータ回路の出力電圧Ｅｓに応じ
て定まるが、実際にはそれだけでなく図７に示すように
インバータ回路への入力電圧Ｖｉｎや負荷の影響も受け
て変化する。

【０００６】すなわち、インバータ回路への入力電圧Ｖ
ｉｎが低かったり、負荷が大きかったりすると、たとえ
出力電圧Ｅｓが最大であっても、指令回転数に達しない
ことがある。この場合、電動機出力が不十分となり、空
気調和機では能力不足を生じてしまう。

【０００７】また、商用１００Ｖの交流電源電圧で運転
する空気調和機の場合、インバータ回路への入力電流Ｉ
ｉｎを２０Ａ以下に制限する必要があり、このため無整
流子電動機の出力不足が生じる頻度はますます顕著とな
る。

【０００８】ここで、入力電流Ｉｉｎが一定の場合の無
整流子電動機の回転数Ｎと負荷の関係を図８に示してお
り、実線から一点鎖線への変化として示すように、入力
電圧Ｖｉｎが低いほど回転数Ｎの最大値が極端に小さく
なる。

【０００９】なお、図８において破線は誘導電動機の特
性であり、入力電圧Ｖｉｎが高くても低くても回転数Ｎ
の最大値にあまり差は生じない。これは、誘導電動機の
場合、回転数Ｎが主にインバータ回路の出力周波数に依
存するためである。つまり、図９に示すように、インバ
ータ回路への入力電流Ｉｉｎが所定値以下の条件では、
無整流子電動機の運転範囲は誘導電動機の運転範囲に比
べて非常に狭い。

【００１０】このような無整流子電動機の不具合は、暖
房運転時の能力の迅速な立ち上がりが要求されるヒート
ポンプ式の空気調和機において、改善すべき大きな課題
である。

【００１１】この対策としては、図１０に示すように、
インバータ回路への入力電圧Ｖｉｎが低いときでも回転
数Ｎの減少を生じないよう、回転数Ｎを設計段階で予め
高めておくことが考えられる。

【００１２】しかしながら、この高回転設計の電動機の
場合、同一の回転数および負荷の条件で見ると、低回転
設計の電動機よりも低い電圧で駆動がなされることとな
り、運転電流が増大してインバータ回路におけるスイッ
チング素子の損失が増大し、電圧歪み率の悪化、ひいて
は運転効率の低下を来すという新たな問題がある。

【００１３】この発明は上記の事情を考慮したもので、
その目的とするところは、インバータ回路への入力電圧
が低くても、また負荷が大きくても、さらにはインバー
タ回路への入力電流に制限が加わっていても、運転効率
の低下を招くことなく無整流子電動機の回転数を所望の
値に確実に設定することができ、たとえば空気調和機に
おける能力不足の解消を可能とする無整流子電動機の駆
動制御装置を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】この発明の無整流子電動
機の駆動制御装置は、交流電源電圧を整流しそれをスイ
ッチング素子のオン，オフによって所定周波数および複
数相の電圧に変換し無整流子電動機への励磁電圧として
出力するインバータ回路と、無整流子電動機の回転子の
位置を検出する手段と、この検出位置に応じたタイミン
グの駆動信号を生成する手段と、この駆動信号を受けて
いる間に上記インバータ回路のスイッチング素子をオン
，オフ駆動する手段と、無整流子電動機の回転数を検出
する手段と、この検出回転数と指令回転数との差に応じ
て上記オン，オフ駆動のデューティを制御する手段と、
このデューティが設定値以上となっても上記検出回転数
が上記指令回転数に達しないとき、または上記指令回転
数が所定値以上のとき、上記駆動信号の位相を通常より
も進み側にシフトせしめる手段とを備える。

【００１５】

【作用】無整流子電動機の回転子の位置が検出され、そ
の検出位置に応じたタイミングの駆動信号が生成される
。そして、この駆動信号が発せられている間、インバー
タ回路のスイッチング素子がオン，オフ駆動される。 このとき、無整流子電動機の回転数が検出され、その検
出回転数と指令回転数との差に応じて上記オン，オフ駆
動のデューティが制御される。ただし、このデューティ
が設定値以上となっても検出回転数が指令回転数に達し
ないとき、または指令回転数が所定値以上の場合、上記
駆動信号の位相が通常よりも進み側にシフトされる。

【００１６】

【実施例】以下、この発明の一実施例について図１を参
照して説明する。商用交流電源１にインバータ回路２が
接続される。

【００１７】このインバータ回路２は、ダイオードブリ
ッジ３と平滑コンデンサ４で交流電圧（単相１００Ｖ）
を整流し、それをスイッチング回路５における三相ブリ
ッジ接続された複数のスイッチング素子のオン，オフに
よって所定周波数および三相の矩形波電圧に変換し、無
整流子電動機６への励磁電圧として出力するものである
。

【００１８】無整流子電動機６は、電機子７および回転
子（永久磁石）８を備え、電機子巻線７ｒ，７ｓ，７ｔ
と回転子８の界磁極との相対位置が検出されて電機子巻
線７ｒ，７ｓ，７ｔが順次に励磁されることにより、回
転子８が回転する。また、無整流子電動機６の電機子巻
線７ｒ，７ｓ，７ｔに位置検出部１１が接続される。

【００１９】位置検出部１１は、電機子巻線７ｒ，７ｓ
，７ｔに誘起する電圧をそれぞれ取り込み、それら誘起
電圧を基に電機子巻線７ｒ，７ｓ，７ｔと回転子８の界
磁極との相対位置を検出するもので、各誘起電圧と予め
定めてある基準電圧とをそれぞれ比較し、それら比較結
果を位置信号として順次に出力する。これら位置信号は
駆動信号生成部１２に送られる。

【００２０】駆動信号生成部１２は、後述する回転数制
御部１５から位相シフト信号を受けない通常時は位置検
出部１１からの各位置信号（論理“１”レベル）に対し
位相が３０度遅れた所定時間幅（相差角１２０度）の駆
動信号（論理“１”レベル）を逐次に生成し、回転数制
御部１５から位相シフト信号を受けた場合は通常時より
も進み側に所定値だけ位相をシフトさせた駆動信号を逐
次に生成するものである。この駆動信号生成部１２で生
成される各駆動信号は回転数検出部１３および駆動回路
１４に送られる。回転数検出部１３は、各駆動信号を基
に無整流子電動機６の回転数Ｎを検出する。この検出結
果は回転数制御部１５に送られる。また、空調機制御部
１６の回転数設定指令が回転数制御部１５に送られる。

【００２１】回転数制御部１５は、回転数設定指令の内
容つまり指令回転数と回転数検出部１３の検出回転数Ｎ
との差を求め、その差に対応するレベルの電圧信号を出
力するとともに、その出力電圧レベルが設定値以上とな
っても所定時間以上にわたって検出回転数Ｎが指令回転
数に達しない場合に位相シフト信号を発する。この回転
数制御部１５の出力電圧はチョッパ信号生成部１７に送
られ、位相シフト信号は上記駆動信号生成部１２に送ら
れる。

【００２２】チョッパ信号生成部１７は、回転数制御部
１５の出力電圧レベルに対応するオン，オフデューティ
で且つ三相のチョッパ信号を生成する。このチョッパ信
号は駆動回路１４に送られる。

【００２３】すなわち、回転数制御部１５およびチョッ
パ信号生成部１７により、検出回転数Ｎと指令回転数と
の差に応じてインバータ回路２のスイッチング素子に対
するオン，オフ駆動のデューティを制御する手段と、こ
のデューティが設定値以上となっても検出回転数Ｎが指
令回転数に達しないとき、駆動信号の位相を通常よりも
進み側にシフトせしめる手段とが構成される。

【００２４】駆動回路１４は、駆動信号生成部１２から
各駆動信号を受けている間、チョッパ信号生成部１７か
ら供給される各チョッパ信号に応じてスイッチング回路
５の各スイッチング素子をオン，オフ駆動する。つぎに
、上記の構成において作用を説明する。まず、図２のタ
イムチャートを参照しながら説明する。

【００２５】商用交流電源１が投入され、かつインバー
タ回路２が駆動されると、そのインバータ回路２から所
定周波数および三相の矩形波電圧が出力される。これら
矩形波電圧は無整流子電動機６の電機子巻線７ｒ，７ｓ
，７ｔにそれぞれ端子電圧として印加され、電機子巻線
７ｒ，７ｓ，７ｔが順次に励磁される。これにより、無
整流子電動機６の回転子８が回転する。回転子８が回転
すると、電機子巻線７ｒ，７ｓ，７ｔにそれぞれ電圧が
誘起し、それが位置検出部１１に取り込まれる。

【００２６】こうして、位置検出部１１において各誘起
電圧を基に電機子巻線７ｒ，７ｓ，７ｔと回転子８の界
磁極との相対位置が検出され、その検出結果に対応する
位置信号が順次に出力される。

【００２７】位置信号が発せられると、各位置信号（論
理“１”レベル）に対し位相が３０度遅れた所定時間幅
（相差角１２０度）の駆動信号（論理“１”レベル）が
逐次に生成される。これら駆動信号の発生タイミングは
、回転子８の磁束分布において最も磁束が多い部分に対
応しており、回転子８から電機子巻線７ｒ，７ｓ，７ｔ
に有効に作用する磁束はΦ０　となる。そして、各駆動
信号に基づき、回転数検出部１３で無整流子電動機６の
回転数Ｎが検出される。

【００２８】一方、空調機制御部１６の回転数設定指令
が回転数制御部１５に送られ、そこで回転数設定指令の
内容つまり指令回転数と回転数検出部１３の検出回転数
Ｎとの差が求められる。この回転数差はチョッパ信号生
成部１７に送られ、そこで回転数差に対応するオン，オ
フデューティで且つ三相のチョッパ信号が生成される。 これらチョッパ信号は上記各駆動信号と共に駆動回路１
４に供給される。

【００２９】駆動回路１４は、駆動信号生成部１２から
各駆動信号が供給されている間、チョッパ信号生成部１
７から供給される各チョッパ信号に応じてスイッチング
回路５の各スイッチング素子をオン，オフ駆動する。こ
のオン，オフ駆動により、無整流子電動機６の回転が継
続する。

【００３０】この場合、検出回転数Ｎが指令回転数より
も小さければ、各チョッパ信号のオン，オフデューティ
が大きくなり、インバータ回路２の出力電圧Ｅｓが上昇
して無整流子電動機６の回転数Ｎが増大する。

【００３１】検出回転数Ｎが指令回転数よりも大きくな
ると、各チョッパ信号のオン，オフデューティが小さく
なり、インバータ回路２の出力電圧Ｅｓが下降して無整
流子電動機６の回転数Ｎが減少する。

【００３２】ところで、インバータ回路２への入力電圧
Ｖｉｎが低くかったり、また負荷が大きかったり、さら
にはインバータ回路２への入力電流Ｉｉｎに制限が加わ
ると、たとえインバータ回路２の出力電圧Ｅｓが最大と
なっても、無整流子電動機６の回転数Ｎが指令回転数に
達しないことがある。そうなると、電動機出力が不十分
となり、空気調和機の能力不足を生じてしまう。この場
合、回転数制御部１５の出力電圧レベルが設定値以上ま
で上昇し、チョッパ信号のオン，オフデューティが許容
最大値に達する状況となっている。

【００３３】回転数制御部１５は、自身の出力電圧レベ
ルが所定時間以上にわたって検出回転数Ｎが指令回転数
に達しなければ、位相シフト信号を発する。この位相シ
フト信号は駆動信号生成部１２に送られる。

【００３４】駆動信号生成部１２では、位相シフト信号
に応答し、図３に示すように、通常時よりも進み側に所
定値だけ位相をシフトさせた駆動信号が生成される。こ
の駆動信号の発生タイミングは、回転子８の磁束分布に
おいて最も磁束が多い部分から外れており、回転子８か
ら電機子巻線７ｒ，７ｓ，７ｔに有効に作用する磁束は
通常よりも少ないΦ１　（＜Φ０　）となる。磁束Φが
少なければ、前記した式から明らかなように、無整流子
電動機６の回転数Ｎが増大する。これにより、回転数Ｎ
が指令回転数に到達する。

【００３５】ここで、位相のシフト前，シフト後の無整
流子電動機６の特性の変化を図４および図５に示す。図
４はインバータ回路２の出力電圧Ｅｓが一定の場合の特
性、図５はインバータ回路２の入力電流Ｉｉｎが一定の
場合の特性である。

【００３６】このように、インバータ回路２の出力電圧
Ｅｓが最大となっても回転数Ｎが増大しない場合は駆動
信号の位相をシフトすることにより、回転数Ｎを指令回
転数に確実に設定することができ、空気調和機における
能力不足を解消することができる。特に、ヒートポンプ
式の空気調和機の場合、暖房運転時の能力の迅速な立ち
上がりが可能である。

【００３７】しかも、従来のように高回転設計を施すも
のではないので、スイッチング素子の損失の増大や電圧
歪み率の悪化を生じることがなく、ひいては運転効率の
低下を生じない。

【００３８】なお、上記実施例において、図６に示すよ
うに、インバータ回路２への入力ラインに電流センサ１
８を設け、その電流センサ１８の出力を入力電流検出部
１９に取り込み、その入力電流検出部１９の出力を回転
数補正部２０に与え、その回転数補正部２０から回転数
制御部１５に補正指令を与える構成としてもよい。

【００３９】これは、インバータ回路２への入力電流Ｉ
ｉｎが一定値たとえば２０Ａを超えないように無整流子
電動機６の回転数を制御する構成であり、つまり入力電
流Ｉｉｎに自身で制限を加える構成であり、この場合も
回転数Ｎを指令回転数に確実に設定することができる。

【００４０】また、上記実施例では、回転数Ｎが指令回
転数に達しないことを条件に駆動信号の位相シフトを実
行したが、それに限らず、たとえば指令回転数が所定値
以上になると直ちに移送シフトを実行するようにしても
よい。

【００４１】

【発明の効果】以上述べたようにこの発明によれば、イ
ンバータ回路のスイッチング素子に対するオン，オフ駆
動のデューティが設定値以上となっても検出回転数が指
令回転数に達しないとき、または指令回転数が所定値以
上のとき、駆動信号の位相を通常よりも進み側にシフト
する構成としたので、インバータ回路への入力電圧が低
くても、また負荷が大きくても、さらにはインバータ回
路への入力電流に制限が加わっていても、運転効率の低
下を招くことなく無整流子電動機の回転数を所望の値に
確実に設定することができ、たとえば空気調和機におけ
る能力不足の解消を可能とする無整流子電動機の駆動制
御装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例の制御回路の構成を示すブ
ロック図。

【図２】同実施例の通常時の作用を説明するためのタイ
ムチャート。

【図３】同実施例における駆動信号の位相シフト時の作
用を説明するためのタイムチャート。

【図４】同実施例における無整流子電動機の特性をＥｓ
最大条件にて示す図。

【図５】同実施例における無整流子電動機の特性をＩｉ
ｎ一定条件にて示す図。

【図６】同実施例の制御回路の変形例の構成を示すブロ
ック図。

【図７】従来装置における無整流子電動機の特性をＥｓ
最大条件にて示す図。

【図８】従来装置における無整流子電動機の特性および
誘導電動機の特性をＩｉｎ一定条件にて示す図。

【図９】従来装置における無整流子電動機の特性および
誘導電動機の特性をＩｉｎ所定値以下条件にて示す図。

【図１０】従来の高回転設計を施した無整流子電動機の
特性を示す図。

【符号の説明】

２…インバータ回路、６…無整流子電動機、１１…位置
検出部、１２…駆動信号生成部、１３…回転数検出部、
１４…駆動回路、１５…回転数制御部、１７…チョッパ
信号生成部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　無整流子電動機を備えたものにおいて
   、交流電源電圧を整流しそれをスイッチング素子のオン
   ，オフによって所定周波数および複数相の電圧に変換し
   前記無整流子電動機への励磁電圧として出力するインバ
   ータ回路と、前記無整流子電動機の回転子の位置を検出
   する手段と、この検出位置に応じたタイミングの駆動信
   号を生成する手段と、この駆動信号を受けている間に前
   記インバータ回路のスイッチング素子をオン，オフ駆動
   する手段と、前記無整流子電動機の回転数を検出する手
   段と、この検出回転数と指令回転数との差に応じて前記
   オン，オフ駆動のデューティを制御する手段と、このデ
   ューティが設定値以上となっても前記検出回転数が前記
   指令回転数に達しないとき、または前記指令回転数が所
   定値以上のとき、前記駆動信号の位相を通常よりも進み
   側にシフトせしめる手段とを備えたことを特徴とする無
   整流子電動機の駆動制御装置。