JPWO2014038235A1 - モータ駆動回路、およびそれを内蔵した駆動回路内蔵モータならびに駆動回路内蔵ポンプモータ、およびそれらを搭載した空気調和機、換気扇、ヒートポンプ給湯機、ならびに内蔵冷温水循環式空調機 - Google Patents

Abstract

安定したモータ動作を可能とし、異常な過電流保護動作や、騒音や異音の発生を抑制することが可能なモータ駆動回路、およびそれを内蔵した駆動回路内蔵モータならびに駆動回路内蔵ポンプモータ、およびそれらを搭載した空気調和機、換気扇、ヒートポンプ給湯機、ならびに内蔵冷温水循環式空調機を得ること。ロータの位置を検出する位置検出センサ５と、ステータ巻線に駆動電流を供給するインバータ回路１８を含み構成されるモータ駆動部７と、位置検出センサ５からの位置検出信号と外部から入力される出力電圧指令とに基づいて、インバータ回路１８を駆動するためのＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成部６と、位置検出信号の周波数を、ロータの実回転数に相当する電圧値に変換するＦ／Ｖ変換回路６１と、その電圧値に基づいて、インバータ回路１８の出力電圧位相の進角制御を行う進角回路４６とを備える。

Description

本発明は、半導体モジュールを用いて電力変換回路基板上に構成されたモータ駆動回路、およびそれを内蔵した駆動回路内蔵モータならびに駆動回路内蔵ポンプモータ、およびそれらを搭載した空気調和機、換気扇、ヒートポンプ給湯機、ならびに内蔵冷温水循環式空調機に関する。

モータの回転駆動の際、モータの回転速度が増加すると、電機子反作用の影響等により通電タイミングに遅れが生じる。このため、例えば、速度指令電圧に応じた進角値を求め、この進角値を用いてモータを駆動制御する技術が開示されている（例えば、特許文献１）。

特開２０１１−１１４９９５号公報

一般に、駆動回路内蔵モータでは、速度指令電圧生成部とモータ駆動回路とは別基板上に構成されており、両基板間がリード配線により結線される。モータ駆動回路を構成する電力変換部は、電力スイッチングを伴う回路であるため、このスイッチング動作によりリード配線に高周波電流が流れ、速度指令電圧を生成する速度指令電圧生成部の基準電位に対し、高周波ノイズが重畳された電位がモータ内部に伝達され、モータの内部の基準電位が変動して速度指令電圧も変動し、この速度指令電圧に基づいて生成される進角指令電圧も高周波ノイズの影響で変動する。このため、上記従来技術では、モータの回転が不安定になり、異音の発生や制御の発散の要因となる、という問題があった。また、速度指令電圧が急峻に変化した場合には、速度指令電圧に応じた進角値を用いて得た出力電圧位相角と機械的な慣性モーメントを持つ実際のモータの位相角との差が大きくなり、無効電流の増大による異常な過電流保護動作やそれに伴う騒音の発生要因となる、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、安定したモータ動作を可能とし、異常な過電流保護動作や、騒音や異音の発生を抑制することが可能なモータ駆動回路、およびそれを内蔵した駆動回路内蔵モータならびに駆動回路内蔵ポンプモータ、およびそれらを搭載した空気調和機、換気扇、ヒートポンプ給湯機、ならびに内蔵冷温水循環式空調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、本発明にかかるモータ駆動回路は、ロータの位置を検出する位置検出センサと、ステータ巻線に駆動電流を供給するインバータ回路を含み構成されるモータ駆動部と、前記位置検出センサからの位置検出信号と外部から入力される出力電圧指令とに基づいて、前記インバータ回路を駆動するためのＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成部と、前記位置検出信号の周波数を、前記ロータの実回転数に相当する電圧値に変換するＦ／Ｖ変換回路と、前記電圧値に基づいて、前記インバータ回路の出力電圧位相の進角制御を行う進角回路と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、安定したモータ動作を可能とし、異常な過電流保護動作や、騒音や異音の発生を抑制することが可能なモータ駆動回路、およびそれを内蔵した駆動回路内蔵モータならびに駆動回路内蔵ポンプモータ、およびそれらを搭載した空気調和機、換気扇、ヒートポンプ給湯機、ならびに内蔵冷温水循環式空調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モータ駆動回路の一構成例を示す図である。 図２は、実施の形態にかかる駆動回路内蔵モータの構造例を示す図である。 図３は、実施の形態にかかるモータ駆動回路のプリント基板上における部品配置の一例を示す図である。 図４は、実施の形態にかかるモータ駆動回路を構成する各部品を実装するプリント基板の平面図である。 図５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。 図６は、遠心型のラインフロー型の送風ファンを用いた室内機の縦断面図である。 図７は、軸流型のプロペラタイプの送風ファンを用いた室内機の縦断面図である。 図８は、実施の形態にかかる駆動回路内蔵ポンプモータの縦断面図である。

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態にかかるモータ駆動回路、およびそれを内蔵した駆動回路内蔵モータならびに駆動回路内蔵ポンプモータ、およびそれらを搭載した空気調和機、換気扇、ヒートポンプ給湯機、ならびに内蔵冷温水循環式空調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モータ駆動回路の一構成例と、このモータ駆動回路を搭載した駆動回路内蔵モータを示す図である。図１に示すように、実施の形態にかかるモータ駆動回路３は、主たる構成要素として、位置検出センサ５と、ＰＷＭ信号生成部６と、フィルタ回路６０と、Ｆ／Ｖ変換回路６１と、モータ駆動部７とを備えている。このモータ駆動回路３の出力がステータ８のステータ巻線に接続されて実施の形態にかかる駆動回路内蔵モータ４が構成される。

位置検出センサ５は、例えば、ホール素子が絶縁体であるエポキシ樹脂により封止されたホールＩＣで構成され、ロータ（図示せず）の磁極位置に応じたパルス状の位置検出信号を出力する。

モータ駆動部７は、スイッチング素子１２〜１７がブリッジ接続され構成されたインバータ回路１８、論理回路２０、上段側ドライバ回路９、および下段側ドライバ回路１０を含み構成され、モータ駆動部７の各構成要素の主要部は、例えば、パワーＩＣの同一パッケージ内に構成される。

また、インバータ回路１８の下段側の各スイッチング素子１５〜１７の負極側は、モータ電流を検出するためのシャント抵抗２８を介して接地されている。

インバータ回路１８には、高圧直流電源１から１００Ｖ〜４００Ｖの高電圧が印加され、論理回路２０、上段側ドライバ回路９、および下段側ドライバ回路１０には、低圧直流電源２から３Ｖ〜２０Ｖの低電圧が印加されている。

インバータ回路１８を構成する各スイッチング素子１２〜１７は、例えば、ＭＯＳＦＥＴで構成され、このインバータ回路１８における上段側の各スイッチング素子１２〜１４と下段側の各スイッチング素子１５〜１７のそれぞれの接続点から三相のステータ巻線ｕ，ｖ，ｗに駆動電流を供給する。

論理回路２０は、ＰＷＭ信号生成部６から入力したＰＷＭ信号に基づいて、上段側ドライバ回路９および下段側ドライバ回路１０を制御して、インバータ回路１８の上段側の各スイッチング素子１２〜１４と下段側の各スイッチング素子１５〜１７をオン／オフすることにより、実施の形態にかかる駆動回路内蔵モータ４のロータの回転を制御している。

上段側ドライバ回路９は、例えば、モータ駆動部７を構成するパワーＩＣ内部の金属リードフレームに実装され、樹脂により封止されたＨＶＩＣ（Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ ＩＣ）により構成され、ＰＷＭ信号生成部６から入力されるＰＷＭ信号をもとに、高電位側に接続される各スイッチング素子１２〜１４のゲート信号を生成する。

この上段側ドライバ回路９の高耐圧部には、ＰＮ接合分離構造もしくは誘電体分離構造を用いる。ＨＶＩＣの高耐圧部をＰＮ接合分離構造とした場合は、誘電体分離構造とした場合に比べて、安価なＨＶＩＣが得られる。また、ＨＶＩＣの高耐圧部を誘電体分離構造とした場合は、ＰＮ接合分離構造とした場合に比べて、例えばラッチアップを防止することができるといった信頼性の高いＨＶＩＣが得られる。

下段側ドライバ回路１０は、例えば、モータ駆動部７を構成するパワーＩＣ内部に樹脂により封止されたＬＶＩＣ（Ｌｏｗ Ｖｏｌｔａｇｅ ＩＣ）により構成され、ＰＷＭ信号生成部６から入力されるＰＷＭ信号をもとに、低電位側に接続される各スイッチング素子１５〜１７のゲート信号を生成する。

ここで、上段側ドライバ回路９および下段側ドライバ回路１０は、それぞれの信号遅延時間が同等となるように設計管理し、また、温度特性をそろえるために、モータ駆動部７を構成する他の各構成要素の主要部と共に、パワーＩＣの同一パッケージ内に封止する。なお、上段側ドライバ回路９および下段側ドライバ回路１０の双方を誘電体分離構造とした場合には、同一の半導体素子上に形成することも可能である。

ＰＷＭ信号生成部６は、カウンタ回路３２、出力波形生成回路３４、データセレクト回路３６、ＰＷＭ回路３８、ゲートブロック回路４０、デッドタイム回路４２、保護リセット回路４４、進角回路４６、および位置推定回路４８を含み構成され、ＰＷＭ信号生成部６の各構成要素の主要部は、例えば、専用ＩＣやマイコンの同一パッケージ内に構成される。このＰＷＭ信号生成部６には、低圧直流電源２から３Ｖ〜２０Ｖの低電圧が印加されている。

位置推定回路４８は、位置検出センサ５から入力される位置検出信号に基づいて、推定したロータの位置である位置信号をカウンタ回路３２に出力する。

進角回路４６は、Ｆ／Ｖ変換回路６１から入力される電圧値に基づいて、インバータ回路１８の出力電圧位相の進角制御を行い、位相制御を行う際に進める出力電圧位相の位相角情報を進角信号として出力する。この進角制御については、後述する。

カウンタ回路３２は、位置推定回路４８からの位置信号のアップエッジ（またはダウンエッジ）から次のダウンエッジ（またはアップエッジ）までの時間をカウントし出力波形生成回路３４に出力する。また、進角回路４６からの進角信号に基づいて位相制御を行う。

出力波形生成回路３４では、フィルタ回路６０を介して入力される出力電圧指令と、カウンタ回路３２でカウントした時間とに基づいて変調波形を生成する。

データセレクト回路３６では、所定の条件に基づいて変調波形を６０°リセットまたは３６０°リセットに分けてリセットし、その変調波形の制御信号をＰＷＭ回路３８に出力する。

ＰＷＭ回路３８では、入力した変調波形の制御信号と三角波とを比較してＰＷＭ信号を生成してゲートブロック回路４０に出力する。このＰＷＭ信号は、デッドタイム回路４２を経て、論理回路２０に出力される。

ゲートブロック回路４０は、保護リセット回路４４からの信号によってＰＷＭ信号を遮断するものであり、保護リセット回路４４は、シャント抵抗２８によって検出された検出電流が所定値以上になると過電流であるとしてゲートブロック回路４０に遮断を指示する。

デッドタイム回路４２は、ＰＷＭ信号の出力タイミングを調整するものである。

フィルタ回路６０は、外部から入力される出力電圧指令の高周波ノイズを除去すると共に、出力電圧指令の急峻な電圧変動を抑制する。

Ｆ／Ｖ変換回路６１は、位置検出センサ５から入力される位置検出信号の周波数を、ロータの実回転数に相当する電圧値に変換して、進角回路４６に出力する。

つぎに、本実施の形態における進角制御について説明する。ロータの回転数が大きくなると、ステータに誘起される誘起電圧の位相に対して、インバータ回路の出力電圧位相に遅れが生じるため、このインバータ回路の出力電圧位相の遅れを補正する進角制御を行う必要がある。

ここで、ロータの回転数指令値に相当する出力電圧指令を用いて進角制御を行うことが考えられるが、上述したように、この出力電圧指令は、一般に、外部からリード配線を介してモータ駆動回路に入力されるものであり、このリード配線にモータ駆動回路のインバータ回路を構成する各スイッチング素子のスイッチング動作により高周波電流が流れ、出力電圧指令を生成する回路の基準電位に対し、高周波ノイズが重畳された電位がモータ内部に伝達される。このため、モータの内部の基準電位が変動して出力電圧指令の電圧値も変動し、この出力電圧指令を用いて進角制御を行った場合には、出力電圧指令に基づいて生成される進角信号も高周波ノイズの影響で変動することとなり、モータの回転が不安定になり、異音の発生や制御の発散の要因となる。

また、出力電圧指令が急峻に変化した場合には、出力電圧指令に応じた進角制御による電圧位相角と機械的な慣性モーメントを持つ実際のモータ位相角との差が大きくなり、無効電流が増大して、異常な過電流保護動作やそれに伴う騒音の発生要因となる。

また、予めモータの最大回転数に合わせて進角を固定しておく手法もあるが、この場合には、低回転域では実際のモータの位相角に対して、インバータ回路の出力電圧位相が進むこととなるため、低回転域においてモータ電流が大きくなり銅損が大きくなる。

また、トルクの増加によっても、実際のモータの位相角に対して、インバータ回路の出力電圧位相に遅れが生じる。トルクがモータ電流の変動に対応して変動することを利用し、モータ電流の検出値を用いて進角制御を行う手法もあるが、例えば、急激な負荷変動によりモータ電流が増大した場合には、制御が発散する虞がある。

したがって、本実施の形態では、ロータの回転数の情報として、ホールＩＣ（つまり、位置検出センサ５）により検出された位置検出信号の周波数を、ロータの実回転数に相当する電圧値に変換し、この電圧値に基づいて、進角制御を行うようにしている。

このように、ロータの実回転数に基づいて進角制御を行うことにより、モータ駆動回路３のインバータ回路１８を構成する各スイッチング素子１２〜１７のスイッチングにより発生する高周波ノイズによる影響を抑制しつつ、出力電圧指令の急激な変化や、急激な負荷変動に起因した電圧電流変動に依存することなく、ロータの実回転数に応じた最適な位相でモータ駆動制御を行うことができるので、安定したモータ動作が可能となり、異常な過電流保護動作や、騒音や異音の発生を抑制することが可能となる。

また、本実施の形態では、フィルタ回路６０により出力電圧指令の高周波ノイズを除去すると共に、出力電圧指令の急峻な電圧変動を抑制するようにしている。これにより、出力電圧指令による出力電圧制御においても上述した高周波ノイズによる影響を抑制することができ、出力電圧の急激な変動も抑制されるので、出力電圧制御による回転数と機械的な慣性モーメントを持つ実際のモータ回転数との差を小さくすることができ、さらに安定したモータ動作が可能となる。

ここで、インバータ回路１８を構成する各スイッチング素子１２〜１７として、ＭＯＳＦＥＴを用いた構成である場合の効果について説明する。

ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗は、電流の二乗に比例することは一般的に知られているが、上述したように、本実施の形態では、進角制御により最適な位相でモータ駆動制御を行うことにより、特に、予めモータの最大回転数に合わせて進角を固定しておく手法と比較して、低回転域においてモータ電流を低減することが可能である。このため、本実施の形態にかかるモータ駆動回路３において、インバータ回路１８を構成する各スイッチング素子１２〜１７として、ＭＯＳＦＥＴを用いた場合には、ＭＯＳＦＥＴによる定常損失低減の効果を有効に引き出すことができ、より高効率なモータ駆動回路３を得ることができる。

また、本実施の形態にかかるモータ駆動回路３では、インバータ回路１８を構成する各スイッチング素子１２〜１７として、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）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）半導体で形成されたＭＯＳＦＥＴを用いた構成に適用して好適である。

ＷＢＧ半導体により形成されたＭＯＳＦＥＴは、Ｓｉ（シリコン）系半導体により形成されたＭＯＳＦＥＴよりも定常損失は小さいが、スイッチングの立ち上がり勾配ｄｖ／ｄｔが大きくノイズ発生量が大きい。本実施の形態にかかるモータ駆動回路３における進角制御や出力電圧制御は、上述したように、高周波ノイズに対する耐性が高いため、インバータ回路１８を構成する各スイッチング素子１２〜１７としてＷＢＧ半導体で形成されたＭＯＳＦＥＴを用いた場合でも、安定したモータ動作が可能である。

つぎに、実施の形態にかかるモータ駆動回路３のプリント基板上における部品配置および駆動回路内蔵モータ４の構造について、図２および図３を参照して説明する。

図２は、実施の形態にかかる駆動回路内蔵モータの構造例を示す図である。図２（ａ）は、ステータ８とモータ駆動回路３の各部品１０１，１０２，１０３が配置されたプリント基板２１とを組み合わせて絶縁体であるモールド樹脂で一体化した側面断面図を示し、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す矢視透視図を示している。

図２に示すように、図１に示したモータ駆動回路３を構成する各部品１０１，１０２，１０３は、出力電圧指令を生成する外部回路（図示せず）や、高圧直流電源１、低圧直流電源２等と接続するための外部接続リード１９のコネクタ部品１０４と共に同一のプリント基板２１上に実装され、そのプリント基板２１がステータコアに巻線を巻回されて構成されるステータ８に対向配置されている。モータ駆動回路３の出力は、ステータ８の巻線と電気的に結合するための接続端子２２に半田付けされている。また、プリント基板２１およびステータ８は、モールド樹脂２３により封止されて機械的に結合され一体化している。このモールド樹脂２３は、ステータ８のプリント基板２１に面する側にベアリングハウジング２４を形成すると共に、その反対側は、ステータ８の内周面に沿ってロータ貫通用穴２５が空けられている。このロータ貫通用穴２５に主軸とベアリングとが組み合わされたロータが嵌り、ベアリングハウジング２４とベアリングとを嵌合させる構造となっており、プリント基板２１の中央部には、ベアリングを組み合わせた主軸を貫通させるための円形の穴が空けられている。

図３は、実施の形態にかかるモータ駆動回路のプリント基板上における部品配置の一例を示す図である。図３（ａ）は、図２の上面透視図で見た面と同一の面を示し、図３（ｂ）は、図３（ａ）の裏面を左右反転させて示している。以下、図３（ｂ）に示す面を、ステータ８に対向する面であることから、「ステータ側」といい、図３（ａ）に示す面を「反ステータ側」という。

図３において、スルーホール実装型部品１０１は、例えば、図１において説明したモータ駆動部７の各構成要素の主要部がパッケージ化されたパワーＩＣであり、面実装型部品１０２は、例えば、図１において説明したＰＷＭ信号生成部６の各構成要素の主要部がパッケージ化された専用ＩＣやマイコンであり、面実装型部品１０３は、例えば、図１において説明した位置検出センサ５であるホール素子が樹脂により封止されたホールＩＣである。なお、以下の説明では、外部接続リード１９のコネクタ部品１０４も、スルーホール実装型部品１０４として説明する。

本実施の形態では、図３に示すように、パワーＩＣ等を含むスルーホール実装型部品１０１，１０４をプリント基板２１の反ステータ側に実装し、専用ＩＣやマイコン、ホールＩＣ等を含む面実装型部品１０２，１０３をプリント基板２１のステータ側に実装するようにしている。以下、これによる効果について説明する。

図２に示すように、プリント基板２１のステータ側の面に接するモールド樹脂２３は、ステータ８とプリント基板２１との間に介在するため、熱抵抗の大きいプリント基板２１によりステータ８から発せられる熱の伝搬が妨げられ、熱分布が略均一となり温度勾配が小さい。

これに対し、プリント基板２１の反ステータ側の面に接するモールド樹脂２３は、熱抵抗の大きいプリント基板２１とモータ表面との間に介在するため、プリント基板２１に近い程温度が高く、モータ表面に近い程温度が低くなり、プリント基板２１のステータ側の面に接するモールド樹脂２３よりも温度勾配が大きくなる。

つまり、プリント基板２１の反ステータ側の面に実装される部品は、プリント基板２１のステータ側の面に実装される部品よりも、モールド樹脂２３の熱収縮による応力を受けやすい。

本実施の形態では、上述したように、応力によって半田切れの発生し易い面実装型部品１０２，１０３をプリント基板２１のステータ側に実装すると共に、スルーホール実装型部品１０１，１０４をプリント基板２１の反ステータ側に実装することにより、プリント基板２１の半田付け工程を面実装型部品１０２，１０３が実装されたステータ側の面の半田フロー工程のみとすることができ、駆動回路内蔵モータ４を構成するモータ駆動回路３の製造コストを低減することができる。さらに、このプリント基板２１のステータ側の面をステータ８に面して配置し、プリント基板２１上のモータ駆動回路３とステータ８とを電気的に結合してモールド樹脂２３により封止することにより、熱履歴に対して半田寿命が長くなり、駆動回路内蔵モータ４の信頼性を高めることができる。

また、本実施の形態では、図２および図３に示すように、プリント基板２１の形状を、円の一部が欠けた半月形状としている。以下、これによる効果について説明する。

図４は、実施の形態にかかるモータ駆動回路を構成する各部品を実装するプリント基板の平面図である。本実施の形態では、長方形の１枚のプリント基板材３０から、モータ駆動回路３（図１参照）が実装された半月形状のプリント基板２１を６枚材料取りしている。図４を見れば一目瞭然であるが、半月形状のプリント基板２１は、円形のプリント基板に比べ、材料取りが良い。また、図３に示すように、モータ駆動部７を構成する各構成要素の主要部をスルーホール実装型のパワーＩＣの同一パッケージ内に集約してプリント基板２１の反ステータ側に実装することにより、ＰＷＭ信号生成部６を構成する各構成要素の主要部を面実装型の専用ＩＣやマイコン等をプリント基板２１のステータ側に効率よく配置することができる。さらに、ＰＷＭ信号生成部６を構成する各構成要素の主要部を面実装型の専用ＩＣやマイコン等の同一パッケージ内に集約することにより、モータ駆動回路３を実装するプリント基板２１の小型化を図ることも可能となる。

図５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。また、図６は、遠心型のラインフロー型の送風ファンを用いた室内機の縦断面図である。また、図７は、軸流型のプロペラタイプの送風ファンを用いた室内機の縦断面図である。図５に示す実施の形態にかかる空気調和機５０において、本実施の形態にかかる駆動回路内蔵モータ４は、図６に示す室内機５１に用いられる遠心型のラインフロー型の送風ファン５３や、図７に示す室内機８１に用いられる軸流型のプロペラタイプの送風ファン８３や、室外機５２の送風ファン５４（図５参照）を駆動するモータとして適用して好適である。これら送風ファン５３，５４，８３の回転羽根の慣性モーメントは、ロータの慣性モーメントと比べても大きいため、ロータの実回転数の単位時間当たりの変化は、出力電圧指令により制御される回転数の変化よりも小さくなる場合が多い。このため、本実施の形態にかかる駆動回路内蔵モータ４を適用して、ロータの実回転数に基づいて進角制御を行うことによる効果が大きく、安定した動作が可能となる。

また、図７に示す軸流型のプロペラタイプの送風ファン８３は、図６に示した遠心型のラインフロー型の送風ファン５３に比べ、送風効率が高いことが一般的に知られている。一方で、送風ファン８３の取り付け部品８４が風路に設置されるため、この取り付け部品８４により送風が妨げられ効率が悪化し、圧力損失が増大する要因となる。この圧力損失を低減するためには、送風ファン８３の取り付け部品８４として、風路を妨げないように、細長い異形形状とする必要がある。送風ファン８３の取り付け部品８４をこのような細長い異形形状とすると、モータの振動が大きくなり、これに伴い騒音が大きくなることが課題となる。本実施の形態では、ロータの実回転数に基づいて進角制御を行うことにより、出力電圧指令の急激な変化や、急激な負荷変動に起因した電圧電流変動に依存することなく、ロータの実回転数に応じた最適な位相でモータ駆動制御を行うことができ、また、出力電圧指令の急峻な電圧変動を抑制するようにしているので、出力電圧の急激な変動も抑制され、出力電圧制御による回転数と機械的な慣性モーメントを持つ実際のモータ回転数との差を小さくすることができる。このため、加減速時の振動の発生を抑制することができ、室内にいる使用者に騒音や振動による不快感を与えることなく、送風効率の高い空気調和機を得ることができる。

また、送風効率の高い軸流型の送風ファン８３を用いることにより機器の効率を改善することができるので、ロータマグネットとして、バックヨークが不要な極背向フェライト磁石を用いることができる。この場合には、希土類磁石等のレアアースを用いる必要がなくなり、資源を有効に活用することができる。

また、本実施の形態にかかる駆動回路内蔵モータ４を、例えば、換気扇に適用しても、同様の効果を得られる。本実施の形態にかかる駆動回路内臓モータ４は、特に、予めモータの最大回転数に合わせて進角を固定しておく手法と比較して、低回転域においてモータ電流を低減することが可能であるため、低速運転の割合が大きい２４時間換気タイプの換気扇において、銅損を抑制した高効率な運転が可能となる。

図８は、実施の形態にかかる駆動回路内蔵ポンプモータの縦断面図である。図８に示す駆動回路内蔵ポンプモータ７０では、インペラ７１と、ポンプハウジング７２と、流体がプリント基板２１やステータ８に流れ込むのを防ぐためのカップ７４とを有し、ロータマグネット７３とステータ８との間にカップ７４が介在している。

このような駆動回路内蔵ポンプモータ７０において、モータ電流の検出値を用いて進角制御を行う手法を用いた場合、例えば、インペラ７１とポンプハウジング７２との間や、ロータマグネット７３とカップ７４との間に異物が混入して軸ロックが発生した場合には、モータ電流が増大して進角制御が発散、つまり、インバータ回路１８の電圧位相角と機械的な慣性モーメントを持つ実際のモータ位相角との差が大きくなり、その結果として、トルクが生じなくなる。これに対し、駆動回路内蔵ポンプモータ７０の駆動回路として、本実施の形態にかかるモータ駆動回路３を適用した場合には、内部に異物が混入して軸ロックが発生したとしても、ロータの実回転数に基づいて進角制御を行うので、トルクが失われることなく、混入した異物を排出することができる。

また、このような駆動回路内蔵ポンプモータ７０を、例えば、ヒートポンプ給湯機や内蔵冷温水循環式空調機に適用しても、同様の効果を得られることは言うまでもない。

以上説明したように、実施の形態のモータ駆動回路、およびそれを内蔵した駆動回路内蔵モータならびに駆動回路内蔵ポンプモータ、およびそれらを搭載した空気調和機、換気扇、ヒートポンプ給湯機、ならびに内蔵冷温水循環式空調機によれば、ロータの回転数の情報として、ホールＩＣにより検出された位置検出信号の周波数を、ロータの実回転数に相当する電圧値に変換し、この電圧値に基づいて、進角制御を行うようにしたので、インバータ回路を構成する各スイッチング素子のスイッチングにより発生する高周波ノイズによる影響を抑制しつつ、出力電圧指令の急激な変化や、急激な負荷変動に起因した電圧電流変動に依存することなく、ロータの実回転数に応じた最適な位相でモータ駆動制御を行うことができる。これにより、安定したモータ動作が可能となり、異常な過電流保護動作や、騒音や異音の発生を抑制することが可能となる。

また、フィルタ回路により出力電圧指令の高周波ノイズを除去すると共に、出力電圧指令の急峻な電圧変動を抑制することにより、出力電圧指令による出力電圧制御においても上述した高周波ノイズによる影響を抑制することができ、出力電圧の急激な変動も抑制されるので、出力電圧制御による回転数と機械的な慣性モーメントを持つ実際のモータ回転数との差を小さくすることができ、さらに安定したモータ動作が可能となる。

また、インバータ回路を構成する各スイッチング素子として、ＭＯＳＦＥＴを用いた構成とすることにより、ＭＯＳＦＥＴによる定常損失低減の効果を有効に引き出すことができ、より高効率なモータ駆動装置を得ることができる。

また、高周波ノイズに対する耐性が高いため、インバータ回路を構成する各スイッチング素子として、スイッチングの立ち上がり勾配ｄｖ／ｄｔが大きくノイズ発生量が大きいＷＢＧ半導体で形成されたＭＯＳＦＥＴを用いた構成に適用して好適であり、安定したモータ動作が可能である。

なお、上述した実施の形態において説明したＷＢＧ半導体により構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ＭＯＳＦＥＴ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ＭＯＳＦＥＴ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ＭＯＳＦＥＴ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を実装したモータ駆動回路や、それを内蔵した駆動回路内蔵モータならびに駆動回路内蔵ポンプモータの小型化が可能となる。

また、応力によって半田切れの発生し易い面実装型部品をプリント基板のステータ側に実装すると共に、スルーホール実装型部品をプリント基板の反ステータ側に実装することにより、プリント基板の半田付け工程を面実装型部品が実装されたステータ側の面の半田フロー工程のみとすることができ、駆動回路内蔵モータを構成するモータ駆動回路の製造コストを低減することができる。さらに、このプリント基板のステータ側の面をステータに面して配置し、プリント基板上のモータ駆動回路とステータとを電気的に結合してモールド樹脂により封止することにより、熱履歴に対して半田寿命が長くなり、駆動回路内蔵モータの信頼性を高めることができる。

また、モータ駆動部を構成する各構成要素の主要部を同一パッケージ内に封止したスルーホール実装型のパワーＩＣとして構成し、ＰＷＭ信号生成部を構成する各構成要素の主要部を同一パッケージ内に封止した面実装型の専用ＩＣあるいはマイコンとして構成することにより、モータ駆動回路を実装するプリント基板の小型化を図ることができる。

また、モータ駆動回路を実装するプリント基板の外形を半月形状とすることにより、外形が円形であるよりも１枚のプリント基板材から効率よく材料取りを行うことができる。

また、本実施の形態にかかる駆動回路内蔵モータは、空気調和機の室内機の送風ファンや、室外機の送風ファンを駆動するモータとして適用して好適である。これら送風ファンの回転羽根の慣性モーメントは、ロータの慣性モーメントと比べても大きいため、ロータの実回転数の単位時間当たりの変化は、出力電圧指令により制御される回転数の変化よりも小さくなる場合が多い。このため、本実施の形態にかかる駆動回路内蔵モータを適用して、ロータの実回転数に基づいて進角制御を行うことによる効果が大きく、安定した動作が可能となる。

また、空気調和機の室内機の送風ファンとして、遠心型のラインフロー型の送風ファンに比べて送風効率が高い反面、モータの取り付け部品を細長い異形形状とする必要があり振動や騒音が発生し易い軸流型のプロペラタイプの送風ファンを用いた場合でも、加減速時の振動の発生を抑制することができるので、室内にいる使用者に騒音や振動による不快感を与えることなく、送風効率の高い空気調和機を得ることができる。

また、送風効率の高い軸流ファンを用いることにより機器の効率を改善することができるので、バックヨークが不要な極背向フェライト磁石を用いてロータを構成することができ、希土類磁石等のレアアースを用いる必要がなくなるので、資源を有効に活用することができる。

また、本実施の形態にかかる駆動回路内蔵モータを、例えば、換気扇に適用しても、同様の効果を得られ、特に、予めモータの最大回転数に合わせて進角を固定しておく手法と比較して、低回転域においてモータ電流を低減することが可能であるため、低速運転の割合が大きい２４時間換気タイプの換気扇において、銅損を抑制した高効率な運転が可能となる。

また、駆動回路内蔵ポンプモータの駆動回路として、本実施の形態にかかるモータ駆動回路を適用した場合には、内部に異物が混入して軸ロックが発生したとしても、ロータの実回転数に基づいて進角制御を行うので、トルクが失われることなく、混入した異物を排出することができる。

また、このような駆動回路内蔵ポンプモータを、例えば、ヒートポンプ給湯機や内蔵冷温水循環式空調機に適用しても、同様の効果を得られる。

なお、上述した実施の形態では、ロータの実回転数に基づいて進角制御を行う例について説明したが、この他に、モータ電流の検出値を用いて進角制御を行う手法を併用することも可能である。この場合には、例えば、図１において説明したシャント抵抗２８によって検出されたモータ電流を用いて、進角制御を行うようにすればよい。この場合には、モータ電流の検出値に応じた進角制御の制御量を小さくすることにより、例えば、急激な負荷変動が生じた場合でも、進角制御が発散するのを抑制することができる。

また、上述した実施の形態では、フィルタ回路により出力電圧指令の高周波ノイズを除去すると共に、出力電圧指令の急峻な電圧変動を抑制するようにしているので、インバータ回路を構成するスイッチング素子として、高速スイッチングが可能なＭＯＳＦＥＴや、スイッチングの立ち上がり勾配ｄｖ／ｄｔが大きくノイズ発生量が大きいＷＢＧ半導体で形成されたＭＯＳＦＥＴを用いた構成に適用して好適であることを述べたが、スイッチング素子の種類はこれに限らず、例えば、バイポーラトランジスタやＩＧＢＴであっても同様の効果が得られることは言うまでもない。

また、上述した実施の形態では、モータ駆動回路を内蔵した駆動回路内蔵モータおよび駆動回路内蔵ポンプモータを用いて説明したが、モータ駆動回路とモータあるいはポンプモータとが物理的に分離された構成であっても同様の効果が得られることは言うまでもない。

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。

１ 高圧直流電源、２ 低圧直流電源、３ モータ駆動回路、４ 駆動回路内蔵モータ、５ 位置検出センサ（ホールＩＣ）、６ ＰＷＭ信号生成部、７ モータ駆動部、８ ステータ、９ 上段側ドライバ回路、１０ 下段側ドライバ回路、１２〜１７ スイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ）、１８ インバータ回路、１９ 外部接続リード、２０ 論理回路、２１ プリント基板、２２ 接続端子、２３ モールド樹脂、２４ ベアリングハウジング、２５ ロータ貫通用穴、２８ シャント抵抗、３０ プリント基板材、３２ カウンタ回路、３４ 出力波形生成回路、３６ データセレクト回路、３８ ＰＷＭ回路、４０ ゲートブロック回路、４２ デッドタイム回路、４４ 保護リセット回路、４６ 進角回路、４８ 位置推定回路、５０ 空気調和機、５１ 室内機、５２ 室外機、５３ 送風ファン（室内機）、５４ 送風ファン（室外機）、 ６０ フィルタ回路、６１ Ｆ／Ｖ変換回路、７０ 駆動回路内蔵ポンプモータ、７１ インペラ、７２ ポンプハウジング、７３ ロータマグネット、７４ カップ、８１ 室内機、８３ 送風ファン（室内機）、８４ 取り付け部品、１０１ スルーホール実装型部品（パワーＩＣ）、１０２ 面実装型部品（専用ＩＣあるいはマイコン）、１０３ 面実装型部品（ホールＩＣ）、１０４ スルーホール実装型部品（コネクタ部品）。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかるモータ駆動回路は、ロータの位置を検出する位置検出センサと、ステータ巻線に駆動電流を供給するインバータ回路を含み構成されるモータ駆動部と、前記位置検出センサからの位置検出信号と外部から入力される出力電圧指令とに基づいて、前記インバータ回路を駆動するためのＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成部と、前記位置検出信号の周波数を、前記ロータの実回転数に相当する電圧値に変換するＦ／Ｖ変換回路と、モータ電流を検出するためのシャント抵抗と、前記電圧値に基づいて、前記インバータ回路の出力電圧位相の進角制御を行うと共に、前記モータ電流に応じて、前記進角制御の制御量を制御する進角回路と、を備えたものである。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかるモータ駆動回路は、ロータの位置を検出する位置検出センサと、ステータ巻線に駆動電流を供給するインバータ回路を含み構成されるモータ駆動部と、前記位置検出センサからの位置検出信号と外部から入力される出力電圧指令とに基づいて、前記インバータ回路を駆動するためのＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成部と、前記位置検出信号の周波数を、前記ロータの実回転数に相当する電圧値に変換するＦ／Ｖ変換回路と、モータ電流を検出するためのシャント抵抗と、前記電圧値に基づいて、前記インバータ回路の出力電圧位相の進角制御を行うと共に、前記モータ電流に応じて、前記進角制御の制御量を制御する進角回路と、を備え、前記進角回路は、前記モータ電流の変動が大きくなるにつれて、前記進角制御の制御量を小さくすることを特徴とするものである。

Claims (15)

1. ロータの位置を検出する位置検出センサと、
   ステータ巻線に駆動電流を供給するインバータ回路を含み構成されるモータ駆動部と、
   前記位置検出センサからの位置検出信号と外部から入力される出力電圧指令とに基づいて、前記インバータ回路を駆動するためのＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成部と、
   前記位置検出信号の周波数を、前記ロータの実回転数に相当する電圧値に変換するＦ／Ｖ変換回路と、
   前記電圧値に基づいて、前記インバータ回路の出力電圧位相の進角制御を行う進角回路と、
   を備えることを特徴とするモータ駆動回路。
2. 前記ＰＷＭ信号生成部は、前記出力電圧指令の電圧変動を抑制するフィルタ回路をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動回路。
3. 前記インバータ回路を構成するスイッチング素子として、ＭＯＳＦＥＴを用いたことを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動回路。
4. 前記ＭＯＳＦＥＴは、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項３に記載のモータ駆動回路。
5. 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４に記載のモータ駆動回路。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のモータ駆動回路を構成する各部品のうち、面実装型部品をプリント基板の一方の面に実装すると共に、スルーホール実装型部品を前記プリント基板の他方の面に実装し、
   前記プリント基板の前記面実装型部品を実装した面をステータに面して配置し、該プリント基板上の前記モータ駆動回路と前記ステータとを電気的に結合してモールド樹脂により封止して構成したことを特徴とする駆動回路内蔵モータ。
7. 前記モータ駆動部を構成する各構成要素の主要部が同一パッケージ内に封止された前記スルーホール実装型部品として構成され、前記ＰＷＭ信号生成部を構成する各構成要素の主要部が同一パッケージ内に封止された前記面実装型部品として構成されたことを特徴とする請求項６に記載の駆動回路内蔵モータ。
8. 前記プリント基板の外形が半月形状であることを特徴とする請求項６に記載の駆動回路内蔵モータ。
9. 請求項６〜８のいずれか一項に記載の駆動回路内蔵モータを搭載した室内機あるいは室外機のいずれか一方、あるいは両方を備えることを特徴とする空気調和機。
10. 前記室内機は、前記駆動回路内蔵モータにより駆動される軸流型の送風ファンを具備したことを特徴とする請求項９に記載の空気調和機。
11. 前記送風ファンを駆動する前記駆動回路内蔵モータのロータマグネットとして、フェライト磁石を用いたことを特徴とする請求項１０に記載の空気調和機。
12. 請求項６〜８のいずれか一項に記載の駆動回路内蔵モータを搭載したことを特徴とする換気扇。
13. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のモータ駆動回路を搭載したことを特徴とする駆動回路内蔵ポンプモータ。
14. 請求項１３に記載の駆動回路内蔵ポンプモータを搭載したことを特徴とするヒートポンプ給湯機。
15. 請求項１３に記載の駆動回路内蔵ポンプモータを搭載したことを特徴とする内蔵冷温水循環式空調機。

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