JPWO2020129127A1 - Motor and air conditioner equipped with it - Google Patents

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Abstract

電動機は、回転軸が挿入された回転子と、回転子の外周に設けられ、3相の巻線を備えた固定子と、3相に対応する3組の上アームスイッチおよび下アームスイッチと、3組の上アームスイッチおよび下アームスイッチの各スイッチに並列接続された還流ダイオードとを含むインバータと、一定のキャリア周波数で3組の上アームスイッチおよび下アームスイッチを非相補スイッチングでパルス幅変調を行うコントローラとを有し、各スイッチはスーパージャンクション電界効果トランジスタであり、コントローラは、上アームスイッチおよび下アームスイッチが相補スイッチングで動作する場合における上アームスイッチのオン時間よりも長いオン時間のデューティ比でパルス幅変調を行うものである。 The electric motor includes a rotor into which a rotating shaft is inserted, a stator provided on the outer circumference of the rotor and having three-phase windings, and three sets of upper arm switches and lower arm switches corresponding to the three phases. Pulse width modulation of three sets of upper arm switch and lower arm switch by non-complementary switching with an inverter including a freewheeling diode connected in parallel to each switch of three sets of upper arm switch and lower arm switch and three sets of upper arm switch and lower arm switch at a constant carrier frequency. Each switch is a superjunction field effect transistor and the controller has a duty ratio of on-time longer than the on-time of the upper arm switch when the upper and lower arm switches operate in complementary switching. The pulse width modulation is performed with.

Description

本発明は、回転子を備えた電動機およびそれを搭載した空気調和機に関する。 The present invention relates to a motor provided with a rotor and an air conditioner equipped with the rotor.

従来、電動機の駆動にインバータを用いた電動機が知られている(例えば、特許文献1参照)。また、インバータのスイッチング素子にプレーナMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)を用いた電動機が知られている(例えば、特許文献2参照)。特許文献2では、スイッチング素子の損失を低減するために、プレーナMOSFETの代わりにスーパージャンクションMOSFETを用いることが提案されている。 Conventionally, an electric motor using an inverter for driving the electric motor is known (see, for example, Patent Document 1). Further, an electric motor using a planar MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) as a switching element of an inverter is known (see, for example, Patent Document 2). Patent Document 2 proposes using a super junction MOSFET instead of a planar MOSFET in order to reduce the loss of the switching element.

特開2010−17044号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2010-17404 特開2014−87199号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-87199

インバータのスイッチング素子として、プレーナMOSFETの代わりにスーパージャンクションMOSFETを用いることで、スイッチの定常損失は低減する。しかし、スーパージャンクションMOSFETは、プレーナMOSFETに比べてスイッチング損失が大きいため、回路全体の電力損失が大きくなってしまうおそれがある。 By using a super junction MOSFET instead of the planar MOSFET as the switching element of the inverter, the steady loss of the switch is reduced. However, since the super junction MOSFET has a larger switching loss than the planar MOSFET, the power loss of the entire circuit may increase.

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、スーパージャンクションMOSFETを用いた回路全体の電力損失を抑制した電動機およびそれを搭載した空気調和機を提供するものである。 The present invention has been made to solve the above problems, and provides an electric motor using a super junction MOSFET that suppresses power loss of the entire circuit and an air conditioner equipped with the electric motor.

本発明に係る電動機は、回転軸が挿入された回転子と、前記回転子の外周に設けられ、3相の巻線を備えた固定子と、前記3相に対応する3組の上アームスイッチおよび下アームスイッチと、前記3組の上アームスイッチおよび下アームスイッチの各スイッチに並列接続された還流ダイオードとを含むインバータと、一定のキャリア周波数で前記3組の上アームスイッチおよび下アームスイッチを非相補スイッチングでパルス幅変調を行うコントローラと、を有し、前記3組の上アームスイッチおよび下アームスイッチの各スイッチはスーパージャンクション電界効果トランジスタであり、前記コントローラは、前記上アームスイッチおよび前記下アームスイッチが相補スイッチングで動作する場合における前記上アームスイッチのオン時間よりも長いオン時間のデューティ比で前記パルス幅変調を行うものである。 The motor according to the present invention includes a rotor into which a rotating shaft is inserted, a stator provided on the outer periphery of the rotor and having three-phase windings, and three sets of upper arm switches corresponding to the three phases. And an inverter including a lower arm switch, a freewheeling diode connected in parallel to each of the three sets of upper arm switch and lower arm switch, and the three sets of upper arm switch and lower arm switch at a constant carrier frequency. It has a controller that performs pulse width modulation by non-complementary switching, and each of the three sets of upper arm switch and lower arm switch is a super junction field effect transistor, and the controller is the upper arm switch and the lower arm switch. The pulse width modulation is performed with a duty ratio of an on-time longer than the on-time of the upper arm switch when the arm switch operates by complementary switching.

本発明に係る空気調和機は、負荷側送風機を含む室内機と、熱源側送風機を含む室外機と、前記負荷側送風機および前記熱源側送風機のうち、少なくとも一方の駆動源として設けられた上記の電動機と、を有するものである。 The air conditioner according to the present invention is provided as a drive source for at least one of an indoor unit including a load-side blower, an outdoor unit including a heat source-side blower, and the load-side blower and the heat source-side blower. It has an electric motor.

本発明によれば、上アームスイッチおよび下アームスイッチに非相補スイッチングを行うことでスイッチング損失の発生を抑えるとともに、上アームスイッチを高デューティ比でパルス幅変調することで、還流ダイオードに電流が流れる時間が短くなる。そのため、回路全体の電力損失を抑制できる。 According to the present invention, non-complementary switching is performed on the upper arm switch and the lower arm switch to suppress the occurrence of switching loss, and the pulse width modulation of the upper arm switch at a high duty ratio allows current to flow through the freewheeling diode. The time is shortened. Therefore, the power loss of the entire circuit can be suppressed.

本発明の実施の形態1に係る電動機の一構成例を示す外観図である。It is an external view which shows one structural example of the electric motor which concerns on Embodiment 1 of this invention. 図1に示す内蔵基板の一構成例を示す外観図である。It is an external view which shows one configuration example of the built-in board shown in FIG. 図1に示した内蔵基板の別の構成例を示す外観図である。It is an external view which shows another configuration example of the built-in board shown in FIG. 図2に示したコントローラおよびパワーICの一構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows one configuration example of the controller and the power IC shown in FIG. 図4に示した上アームスイッチおよび下アームスイッチに用いられるパワーMOSFETの一構成例を示す図である。It is a figure which shows one configuration example of the power MOSFET used for the upper arm switch and the lower arm switch shown in FIG. 比較例のMOSFETの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the MOSFET of the comparative example. 図1に示した磁気センサがホールICである場合の一例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows an example of the case where the magnetic sensor shown in FIG. 1 is a Hall IC. 比較例のPWM制御として、各相の上アームスイッチおよび下アームスイッチに対して相補スイッチングを行う場合を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the case where complementary switching is performed for the upper arm switch and the lower arm switch of each phase as PWM control of a comparative example. 図8に示す2本の破線で挟まれた範囲における、U相およびV相の上アームスイッチおよび下アームスイッチの動作手順を示す図である。It is a figure which shows the operation procedure of the upper arm switch and the lower arm switch of U phase and V phase in the range sandwiched by two broken lines shown in FIG. 図8に示す2本の破線で挟まれた範囲における、U相およびV相の上アームスイッチおよび下アームスイッチの動作手順を示す図である。It is a figure which shows the operation procedure of the upper arm switch and the lower arm switch of U phase and V phase in the range sandwiched by two broken lines shown in FIG. 図8に示す2本の破線で挟まれた範囲における、U相およびV相の上アームスイッチおよび下アームスイッチの動作手順を示す図である。It is a figure which shows the operation procedure of the upper arm switch and the lower arm switch of U phase and V phase in the range sandwiched by two broken lines shown in FIG. 図9〜図11におけるU相の上アームスイッチおよび下アームスイッチの動作を示す拡大図である。9 is an enlarged view showing the operation of the U-phase upper arm switch and the lower arm switch in FIGS. 9 to 11. 図4に示したコントローラが各相の上アームスイッチおよび下アームスイッチに対して非相補スイッチングを行う場合を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the case where the controller shown in FIG. 4 performs non-complementary switching for the upper arm switch and the lower arm switch of each phase. 図13に示す2本の破線で挟まれた範囲における、U相およびV相の上アームスイッチおよび下アームスイッチの動作手順を示す図である。It is a figure which shows the operation procedure of the upper arm switch and the lower arm switch of U phase and V phase in the range sandwiched by two broken lines shown in FIG. 図13に示す2本の破線で挟まれた範囲における、U相およびV相の上アームスイッチおよび下アームスイッチの動作手順を示す図である。It is a figure which shows the operation procedure of the upper arm switch and the lower arm switch of U phase and V phase in the range sandwiched by two broken lines shown in FIG. 図14および図15におけるU相の上アームスイッチおよび下アームスイッチの動作を示す拡大図である。14 is an enlarged view showing the operation of the U-phase upper arm switch and the lower arm switch in FIGS. 14 and 15. 比較例のPWM制御におけるデューティ比と本実施の形態1のPWM制御におけるデューティ比とを比較するための図である。It is a figure for comparing the duty ratio in the PWM control of the comparative example, and the duty ratio in the PWM control of the first embodiment. 本発明の実施の形態2に係る空気調和機の一構成例を示す外観図である。It is an external view which shows one structural example of the air conditioner which concerns on Embodiment 2 of this invention. 図18に示した空気調和機の一構成例を示す冷媒回路図である。It is a refrigerant circuit diagram which shows one configuration example of the air conditioner shown in FIG. 図18に示した室内機の一構成例を示す側面透視図である。It is a side perspective view which shows one configuration example of the indoor unit shown in FIG. 比較例の室内機の一構成例を示す側面透視図である。It is a side perspective view which shows one configuration example of the indoor unit of the comparative example.

実施の形態1.
本実施の形態1の電動機の構成を説明する。本実施の形態1では、電動機がブラシレスDCモータの場合である。図1は、本発明の実施の形態1に係る電動機の一構成例を示す外観図である。図1では、電動機の構成の説明のために、一部を断面構造で示している。図1は、ラジアルギャップ形ブラシレスDCモータを示しているが、本実施の形態1の電動機はラジアルギャップ形に限らない。図2は、図1に示す内蔵基板の一構成例を示す外観図である。
Embodiment 1.
The configuration of the electric motor according to the first embodiment will be described. In the first embodiment, the electric motor is a brushless DC motor. FIG. 1 is an external view showing a configuration example of an electric motor according to a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, a part is shown in cross-sectional structure for the purpose of explaining the configuration of the electric motor. Although FIG. 1 shows a radial gap type brushless DC motor, the electric motor of the first embodiment is not limited to the radial gap type. FIG. 2 is an external view showing a configuration example of the built-in substrate shown in FIG.

図1に示すように、電動機1は、回転軸31が挿入された回転子30と、回転子30の外周に設けられた固定子20と、回転子30の駆動を制御する回路が搭載された内蔵基板11とを有する。固定子20および内蔵基板11は、モールド固定子10で一体に成型されている。モールド固定子10は凹部が形成されたモールド樹脂12を有し、凹部に回転子30が収納されている。 As shown in FIG. 1, the electric motor 1 is equipped with a rotor 30 into which a rotating shaft 31 is inserted, a stator 20 provided on the outer periphery of the rotor 30, and a circuit for controlling the drive of the rotor 30. It has a built-in substrate 11. The stator 20 and the built-in substrate 11 are integrally molded by the mold stator 10. The mold stator 10 has a mold resin 12 having a recess formed therein, and the rotor 30 is housed in the recess.

回転軸31の一端には、回転する回転軸31を支持する出力側軸受33が設けられている。回転軸31の他端には、回転する回転軸31を支持する反出力側軸受34が設けられている。反出力側軸受34は、導電性のブラケット60で覆われている。反出力側軸受34の外輪がブラケット60の内側に嵌め込まれている。ブラケット60がモールド固定子10の凹部の開口部を塞ぐように、ブラケット60の圧入部61がモールド固定子10の内周部に嵌め込まれている。 At one end of the rotating shaft 31, an output side bearing 33 that supports the rotating rotating shaft 31 is provided. At the other end of the rotating shaft 31, a counter-output side bearing 34 that supports the rotating rotating shaft 31 is provided. The counter-output side bearing 34 is covered with a conductive bracket 60. The outer ring of the counter-output side bearing 34 is fitted inside the bracket 60. The press-fitting portion 61 of the bracket 60 is fitted into the inner peripheral portion of the mold stator 10 so that the bracket 60 closes the opening of the recess of the mold stator 10.

固定子20は、回転軸31を中心に放射状に配置された複数の固定子鉄心21と、複数の固定子鉄心21と一体成型されたインシュレータ23とを有する。各固定子鉄心21は、複数の電磁鋼板が積層された構成である。各固定子鉄心21には、磁束を発生させる巻線22が巻きつけられている。巻線22は、銅およびアルミなどの導電性線材で構成される。インシュレータ23は、固定子鉄心21と巻線22とを絶縁する役目を果たす。 The stator 20 has a plurality of stator cores 21 arranged radially around a rotation shaft 31 and an insulator 23 integrally molded with the plurality of stator cores 21. Each stator core 21 has a structure in which a plurality of electromagnetic steel sheets are laminated. A winding 22 for generating magnetic flux is wound around each stator core 21. The winding 22 is made of a conductive wire rod such as copper and aluminum. The insulator 23 serves to insulate the stator core 21 and the winding 22 from each other.

図1に示すように、内蔵基板11は、出力側軸受33と固定子20との間に配置され、インシュレータ23に固定されている。図2に示すように、内蔵基板11の形状は、中心に貫通穴35が形成された円板である。回転軸31は、貫通穴35を貫通して配置される。内蔵基板11は、円板に平行な面が回転軸31の軸線方向(Z軸矢印方向)に対して垂直になるように電動機1の内部に配置されている。図2に示すように、内蔵基板11は、巻線22に電力を供給するパワーIC(Integrated Circuit)80と、パワーIC80を制御するコントローラ70と、回転子30の磁極位置を検出する磁気センサ50とを有する。図2に示す構成例では、3つの磁気センサ50が内蔵基板11に設けられている。磁気センサ50は、例えば、ホールICである。 As shown in FIG. 1, the built-in substrate 11 is arranged between the output side bearing 33 and the stator 20, and is fixed to the insulator 23. As shown in FIG. 2, the shape of the built-in substrate 11 is a disk having a through hole 35 formed in the center. The rotating shaft 31 is arranged so as to penetrate through the through hole 35. The built-in substrate 11 is arranged inside the motor 1 so that the surface parallel to the disk is perpendicular to the axial direction (Z-axis arrow direction) of the rotating shaft 31. As shown in FIG. 2, the built-in substrate 11 includes a power IC (Integrated Circuit) 80 that supplies electric power to the winding 22, a controller 70 that controls the power IC 80, and a magnetic sensor 50 that detects the magnetic pole positions of the rotor 30. And have. In the configuration example shown in FIG. 2, three magnetic sensors 50 are provided on the built-in substrate 11. The magnetic sensor 50 is, for example, a Hall IC.

図1に示すように、回転子30は、回転軸31と、回転軸31に固定されたロータマグネット40とを有する。ロータマグネット40は、円柱状の永久磁石で構成される。モールド固定子10の内側に配置された複数の固定子鉄心21と対向して配置されている。ロータマグネット40は、例えば、フェライト磁石または希土類磁石を熱可塑性の樹脂材料と混合して作製されるボンド磁石を射出成形することで作製される。ロータマグネット40の射出成形用の金型には磁石が組み込まれており、ロータマグネット40の成形は、配向をかけながら行われる。 As shown in FIG. 1, the rotor 30 has a rotating shaft 31 and a rotor magnet 40 fixed to the rotating shaft 31. The rotor magnet 40 is composed of a columnar permanent magnet. It is arranged so as to face the plurality of stator cores 21 arranged inside the mold stator 10. The rotor magnet 40 is manufactured, for example, by injection molding a bond magnet manufactured by mixing a ferrite magnet or a rare earth magnet with a thermoplastic resin material. A magnet is incorporated in the injection molding mold of the rotor magnet 40, and the molding of the rotor magnet 40 is performed while applying orientation.

図1に示す構成において、ロータマグネット40は、回転軸31の軸線方向に、磁気センサ50に近い部分であるセンサマグネット部と、センサマグネット部以外の部分であるメインマグネット部とを有する。センサマグネット部は磁気センサ50に回転子30の位置を検知させる役目を果たす。メインマグネット部は巻線22が発生する磁束にしたがって回転子30に回転力を生じさせる役目を果たす。ロータマグネット40を、回転軸31を中心軸とする円柱と考えると、センサマグネット部の直径はメインマグネット部の直径よりも小さい。この構成により、センサマグネット部の磁極から磁束が磁気センサ50に流入しやすくなる。図1に示す構成例では、ロータマグネット40に設けられた段差によって、センサマグネット部とメインマグネット部とを区別できる。 In the configuration shown in FIG. 1, the rotor magnet 40 has a sensor magnet portion which is a portion close to the magnetic sensor 50 and a main magnet portion which is a portion other than the sensor magnet portion in the axial direction of the rotating shaft 31. The sensor magnet portion serves to cause the magnetic sensor 50 to detect the position of the rotor 30. The main magnet portion serves to generate a rotational force in the rotor 30 according to the magnetic flux generated by the winding 22. Considering the rotor magnet 40 as a cylinder centered on the rotating shaft 31, the diameter of the sensor magnet portion is smaller than the diameter of the main magnet portion. With this configuration, magnetic flux easily flows into the magnetic sensor 50 from the magnetic pole of the sensor magnet portion. In the configuration example shown in FIG. 1, the sensor magnet portion and the main magnet portion can be distinguished by the step provided on the rotor magnet 40.

磁気センサ50は、固定子20の巻線22が発生する磁束の影響を極力受けないようにするために、内蔵基板11において、図1に示した巻線22から離れた位置に配置される。つまり、3つの磁気センサ50は、図2に示す内蔵基板11において、図1に示した回転軸31に近い位置に配置されている。 The magnetic sensor 50 is arranged at a position away from the winding 22 shown in FIG. 1 on the built-in substrate 11 in order to minimize the influence of the magnetic flux generated by the winding 22 of the stator 20. That is, the three magnetic sensors 50 are arranged at positions close to the rotation shaft 31 shown in FIG. 1 on the built-in substrate 11 shown in FIG.

内蔵基板11のパワーIC80と巻線22とは、図に示さない巻線端子を介して配線で接続される。内蔵基板11には、電動機1が搭載される上位装置と接続されるリード線13を電動機1の内部に取り込むためのリード口出し部14が設けられている。電動機1が搭載される上位装置とは、例えば、空気調和機である。上位装置が空気調和機である場合、空気調和機の制御装置とリード線13を介してコントローラ70と電気的に接続される。 The power IC 80 of the built-in board 11 and the winding 22 are connected by wiring via a winding terminal (not shown). The built-in board 11 is provided with a lead outlet portion 14 for taking a lead wire 13 connected to a higher-level device on which the motor 1 is mounted into the inside of the motor 1. The host device on which the motor 1 is mounted is, for example, an air conditioner. When the host device is an air conditioner, it is electrically connected to the controller 70 via the lead wire 13 with the control device of the air conditioner.

内蔵基板11のステータ面には、コントローラ70と、磁気センサ50と、図に示さない抵抗およびコンデンサ等の受動部品とが配置される。パワーIC80がリードタイプである場合、パワーIC80のみ反ステータ面に配置される。この場合、内蔵基板11の製造工程において、電子部品の端子を内蔵基板11のプリント配線にハンダで接合する際、片面フロー工程でパワーIC80を内蔵基板11に実装できる。パワーIC80が面実装タイプである場合、パワーIC80もステータ面に配置される。この場合、電子部品の端子を内蔵基板11のプリント配線にハンダで接合する際、片面リフロー工程でパワーIC80を内蔵基板11に実装できる。 A controller 70, a magnetic sensor 50, and passive components such as resistors and capacitors (not shown) are arranged on the stator surface of the built-in substrate 11. When the power IC 80 is a reed type, only the power IC 80 is arranged on the anti-stator surface. In this case, in the manufacturing process of the built-in board 11, when the terminals of the electronic components are soldered to the printed wiring of the built-in board 11, the power IC 80 can be mounted on the built-in board 11 in the one-sided flow process. When the power IC 80 is a surface mount type, the power IC 80 is also arranged on the stator surface. In this case, when the terminals of the electronic components are soldered to the printed wiring of the built-in board 11, the power IC 80 can be mounted on the built-in board 11 in the single-sided reflow process.

なお、図2は、コントローラ70およびパワーIC80が別々のICで構成される場合を示しているが、コントローラ70およびパワーIC80が1つのICで構成されていてもよい。図3は、図1に示した内蔵基板の別の構成例を示す外観図である。図3に示す内蔵基板11aは、内蔵基板11を円板としたとき、図2に示した内蔵基板11において、中心角が約90度の部分に相当する。内蔵基板11aの切り欠き部36は、貫通穴35の円周の一部に相当する。モジュール79は、コントローラ70およびパワーIC80のそれぞれの機能を実行する電子回路を備えている。 Although FIG. 2 shows a case where the controller 70 and the power IC 80 are composed of separate ICs, the controller 70 and the power IC 80 may be composed of one IC. FIG. 3 is an external view showing another configuration example of the built-in substrate shown in FIG. The built-in substrate 11a shown in FIG. 3 corresponds to a portion of the built-in substrate 11 shown in FIG. 2 having a central angle of about 90 degrees when the built-in substrate 11 is a disk. The cutout portion 36 of the built-in substrate 11a corresponds to a part of the circumference of the through hole 35. Module 79 includes electronic circuits that perform the respective functions of the controller 70 and the power IC 80.

図3に示す内蔵基板11aでは、図2に示した構成に比べて、基板に実装される電子部品が少なくなるため、電子部品の実装面積が低減する。その結果、内蔵基板11aの基板面積を小さくすることができる。図3に示す内蔵基板11aのように、基板への電子部品のレイアウトを工夫し、貫通穴35の形状の一部も有効に用いることで、基板面積の縮小化を図れる。 In the built-in substrate 11a shown in FIG. 3, since the number of electronic components mounted on the substrate is smaller than that in the configuration shown in FIG. 2, the mounting area of the electronic components is reduced. As a result, the substrate area of the built-in substrate 11a can be reduced. As in the built-in substrate 11a shown in FIG. 3, the substrate area can be reduced by devising the layout of the electronic components on the substrate and effectively using a part of the shape of the through hole 35.

また、ロータマグネット40について、図1を参照して、メインマグネット部およびセンサマグネット部が1つのマグネットに構成される場合を説明したが、メインマグネット部とセンサマグネット部とが別々のマグネットで構成されてもよい。 Further, regarding the rotor magnet 40, the case where the main magnet portion and the sensor magnet portion are configured as one magnet has been described with reference to FIG. 1, but the main magnet portion and the sensor magnet portion are composed of separate magnets. You may.

次に、図2に示したコントローラ70およびパワーIC80の構成を説明する。図4は、図2に示したコントローラおよびパワーICの一構成例を示すブロック図である。パワーIC80は、インバータ81と、ゲート駆動回路82と、保護回路83とを有する。コントローラ70およびパワーIC80と接地(アース)との間には、過電流検出抵抗71が接続されている。 Next, the configurations of the controller 70 and the power IC 80 shown in FIG. 2 will be described. FIG. 4 is a block diagram showing a configuration example of the controller and the power IC shown in FIG. The power IC 80 includes an inverter 81, a gate drive circuit 82, and a protection circuit 83. An overcurrent detection resistor 71 is connected between the controller 70, the power IC 80, and the ground.

インバータ81は、入力される直流電圧Eを、U相、V相およびW相からなる3相の交流電圧に変換する。インバータ81は、U相の上アームスイッチ84tおよび下アームスイッチ94tと、V相の上アームスイッチ85tおよび下アームスイッチ95tと、W相の上アームスイッチ86tおよび下アームスイッチ96tとを有する。上アームスイッチ84tに還流ダイオード84dが並列に接続されている。下アームスイッチ94tに還流ダイオード94dが並列に接続されている。上アームスイッチ85tに還流ダイオード85dが並列に接続されている。下アームスイッチ95tに還流ダイオード95dが並列に接続されている。上アームスイッチ86tに還流ダイオード86dが並列に接続されている。下アームスイッチ96tに還流ダイオード96dが並列に接続されている。 The inverter 81 converts the input DC voltage E into a three-phase AC voltage composed of a U phase, a V phase, and a W phase. The inverter 81 has a U-phase upper arm switch 84t and a lower arm switch 94t, a V-phase upper arm switch 85t and a lower arm switch 95t, and a W-phase upper arm switch 86t and a lower arm switch 96t. A freewheeling diode 84d is connected in parallel to the upper arm switch 84t. A freewheeling diode 94d is connected in parallel to the lower arm switch 94t. A freewheeling diode 85d is connected in parallel to the upper arm switch 85t. A freewheeling diode 95d is connected in parallel to the lower arm switch 95t. A freewheeling diode 86d is connected in parallel to the upper arm switch 86t. A freewheeling diode 96d is connected in parallel to the lower arm switch 96t.

図1に示した電動機1は、巻線22として、図4に示すように、U相巻線22u、V相巻線22vおよびW相巻線22wを有する。U相巻線22uは上アームスイッチ84tと下アームスイッチ94tとの間に接続されている。V相巻線22vは上アームスイッチ85tと下アームスイッチ95tとの間に接続されている。W相巻線22wは上アームスイッチ86tと下アームスイッチ96tとの間に接続されている。 The motor 1 shown in FIG. 1 has U-phase windings 22u, V-phase windings 22v, and W-phase windings 22w as windings 22 as shown in FIG. The U-phase winding 22u is connected between the upper arm switch 84t and the lower arm switch 94t. The V-phase winding 22v is connected between the upper arm switch 85t and the lower arm switch 95t. The W-phase winding 22w is connected between the upper arm switch 86t and the lower arm switch 96t.

ゲート駆動回路82は、コントローラ70から受信するスイッチング信号にしたがって上アームスイッチ84t〜86tおよび下アームスイッチ94t〜96tのオンおよびオフを制御する。具体的には、ゲート駆動回路82は、スイッチをオン状態にするとき、閾値電圧よりも高い電圧Highをゲート電極に印加し、スイッチをオフ状態にするとき、閾値電圧よりも低い電圧Lowをゲート電極に印加する。保護回路83は、インバータ81およびゲート駆動回路82を保護する役目を果たす。例えば、保護回路83は、接地側から高い電流がゲート駆動回路82に逆流することを防止する。また、インバータ81およびゲート駆動回路82が高温になったとき、保護回路83は、インバータ81のすべてのトランジスタをオフして高温による素子破壊を抑制する。 The gate drive circuit 82 controls the on and off of the upper arm switches 84t to 86t and the lower arm switches 94t to 96t according to the switching signal received from the controller 70. Specifically, the gate drive circuit 82 applies a voltage High higher than the threshold voltage to the gate electrode when the switch is turned on, and gates a voltage Low lower than the threshold voltage when the switch is turned off. Apply to the electrode. The protection circuit 83 serves to protect the inverter 81 and the gate drive circuit 82. For example, the protection circuit 83 prevents a high current from flowing back to the gate drive circuit 82 from the ground side. Further, when the inverter 81 and the gate drive circuit 82 become hot, the protection circuit 83 turns off all the transistors of the inverter 81 to suppress element destruction due to the high temperature.

コントローラ70は、例えば、マイクロコンピュータである。コントローラ70は、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)等の専用ICであってもよい。コントローラ70は、プログラムを記憶するメモリと、プログラムにしたがって処理を実行するCPU(Central Processing Unit)とを有する構成であってもよい。 The controller 70 is, for example, a microcomputer. The controller 70 may be a dedicated IC such as an ASIC (Application Specific Integrated Circuit). The controller 70 may be configured to have a memory for storing a program and a CPU (Central Processing Unit) that executes processing according to the program.

コントローラ70は、電動機1を搭載する上位装置から受信する速度指令信号にしたがって、一定のキャリア周波数で上アームスイッチ84t〜86tおよび下アームスイッチ94t〜96tの各スイッチのオンおよびオフを制御するスイッチング信号を生成する。コントローラ70は、ゲート駆動回路82にスイッチング信号を出力することで、上アームスイッチ84t〜86tおよび下アームスイッチ94t〜96tに対してパルス幅変調(PWM:Pulse Width Modulation)制御を行う。コントローラ70は、磁気センサ50から入力される磁極位置信号を基に回転子30の磁極位置を推測し、推測する磁気位置から回転子30の回転数を算出する。コントローラ70は、算出した回転数を示す回転数信号を上位装置に出力する。 The controller 70 controls the on / off of the upper arm switches 84t to 86t and the lower arm switches 94t to 96t at a constant carrier frequency according to the speed command signal received from the host device on which the motor 1 is mounted. To generate. The controller 70 outputs a switching signal to the gate drive circuit 82 to perform pulse width modulation (PWM) control on the upper arm switches 84t to 86t and the lower arm switches 94t to 96t. The controller 70 estimates the magnetic pole position of the rotor 30 based on the magnetic pole position signal input from the magnetic sensor 50, and calculates the rotation speed of the rotor 30 from the estimated magnetic position. The controller 70 outputs a rotation speed signal indicating the calculated rotation speed to the host device.

コントローラ70は、過電流検出抵抗71の両端の電圧が一定電圧以上になったとき、上アームスイッチ84t〜86tおよび下アームスイッチ94t〜96tを強制的にオフ状態する。これにより、巻線22に過電流が流れることが防止される。過電流検出抵抗71の両端の電圧が一定電圧以上になることが、過電流検出抵抗71からコントローラ70に入力される過電流検出信号に相当する。また、図に示さない感温素子が、例えば、内蔵基板11に設けられていてもよい。この場合、コントローラ70は、異常高温であることを示す信号を感温素子から受信すると、上アームスイッチ84t〜86tおよび下アームスイッチ94t〜96tを強制的にオフ状態にする。このようにして、巻線22に過電流が流れることを防止してもよい。 When the voltage across the overcurrent detection resistor 71 becomes a constant voltage or higher, the controller 70 forcibly turns off the upper arm switches 84t to 86t and the lower arm switches 94t to 96t. This prevents an overcurrent from flowing through the winding 22. The voltage across the overcurrent detection resistor 71 is equal to or higher than a constant voltage, which corresponds to an overcurrent detection signal input from the overcurrent detection resistor 71 to the controller 70. Further, a temperature sensitive element (not shown in the figure) may be provided on the built-in substrate 11, for example. In this case, when the controller 70 receives a signal indicating that the temperature is abnormally high from the temperature sensitive element, the controller 70 forcibly turns off the upper arm switches 84t to 86t and the lower arm switches 94t to 96t. In this way, the overcurrent may be prevented from flowing through the winding 22.

次に、図4に示した上アームスイッチ84t〜86tおよび下アームスイッチ94t〜96tについて説明する。上アームスイッチ84t〜86tおよび下アームスイッチ94t〜96tは、例えば、パワーMOSFETである。本実施の形態1では、これらのスイッチに用いられるパワーMOSFETは、スーパージャンクションMOSFETである。以下では、スーパージャンクションMOSFETをSJ−MOSFETと表記する。 Next, the upper arm switches 84t to 86t and the lower arm switches 94t to 96t shown in FIG. 4 will be described. The upper arm switches 84t to 86t and the lower arm switches 94t to 96t are, for example, power MOSFETs. In the first embodiment, the power MOSFET used for these switches is a super junction MOSFET. In the following, the super junction MOSFET will be referred to as SJ-MOSFET.

図5は、図4に示した上アームスイッチおよび下アームスイッチに用いられるパワーMOSFETの一構成例を示す図である。SJ−MOSFET120は、ゲート電極121、ドレイン電極122およびソース電極123を有する。SJ−MOSFET120は、酸化膜127、n+拡散層126およびp拡散層124がn−半導体基板125に形成された構成である。n−半導体基板125は、N型導電性不純物が低濃度に拡散された半導体基板である。n+拡散層126はN型導電性不純物が高濃度に拡散された領域である。p拡散層124はP型導電性不純物が拡散された領域である。p拡散層124の底面は、ドレイン電極122のn+拡散層126に近い深さの位置まで伸びている。 FIG. 5 is a diagram showing a configuration example of a power MOSFET used for the upper arm switch and the lower arm switch shown in FIG. The SJ-MOSFET 120 has a gate electrode 121, a drain electrode 122, and a source electrode 123. The SJ-MOSFET 120 has a configuration in which an oxide film 127, an n + diffusion layer 126, and a p diffusion layer 124 are formed on an n-semiconductor substrate 125. The n-semiconductor substrate 125 is a semiconductor substrate in which N-type conductive impurities are diffused at a low concentration. The n + diffusion layer 126 is a region in which N-type conductive impurities are diffused at a high concentration. The p-diffusion layer 124 is a region in which P-type conductive impurities are diffused. The bottom surface of the p-diffusion layer 124 extends to a position close to n + the diffusion layer 126 of the drain electrode 122.

図6は、比較例のMOSFETの構成例を示す図である。図6に示すように、プレーナMOSFET130は、ゲート電極121、ドレイン電極122およびソース電極123を有する。プレーナMOSFET130は、酸化膜127、n+拡散層126およびp拡散層131がn−半導体基板125に形成された構成である。p拡散層131はP型導電性不純物が拡散された領域である。p拡散層131の底面は、n+拡散層126の底面よりも深い位置にあるが、n−半導体基板125の上面に近い位置にある。 FIG. 6 is a diagram showing a configuration example of a MOSFET of a comparative example. As shown in FIG. 6, the planar MOSFET 130 has a gate electrode 121, a drain electrode 122, and a source electrode 123. The planar MOSFET 130 has a configuration in which an oxide film 127, an n + diffusion layer 126, and a p diffusion layer 131 are formed on an n-semiconductor substrate 125. The p-diffusion layer 131 is a region in which P-type conductive impurities are diffused. The bottom surface of the p-diffusion layer 131 is located deeper than the bottom surface of the n + diffusion layer 126, but is located close to the top surface of the n-semiconductor substrate 125.

図5に示すSJ−MOSFET120と図6に示すプレーナMOSFET130とを比べると、p拡散層124の底面は、p拡散層131の底面に比べて、ドレイン電極122のn+拡散層126により近い位置まで伸びている。図5に示す構成により、SJ−MOSFET120は、プレーナMOSFET130よりもオン抵抗が小さくなる。そのため、SJ−MOSFET120は、プレーナMOSFET130よりも、スイッチの定常損失Pi[J]が小さくなる。その結果、電動機1の電力の高効率化を図ることができる。 Comparing the SJ-MOSFET 120 shown in FIG. 5 and the planar MOSFET 130 shown in FIG. 6, the bottom surface of the p-diffusion layer 124 extends to a position closer to n + the diffusion layer 126 of the drain electrode 122 than the bottom surface of the p-diffusion layer 131. ing. With the configuration shown in FIG. 5, the SJ-MOSFET 120 has a smaller on-resistance than the planar MOSFET 130. Therefore, the SJ-MOSFET 120 has a smaller switch steady loss Pi [J] than the planar MOSFET 130. As a result, it is possible to improve the efficiency of the electric power of the electric motor 1.

ただし、SJ−MOSFET120は、n−半導体基板125に対するp拡散層124の接合部であるPN接合部の面積が大きいので、スイッチング損失Plsw[J]が大きくなる傾向がある。そのため、キャリア周波数が高いなど、スイッチングの頻度が高い場合、SJ−MOSFET120の損失(定常損失+スイッチング損失)の改善効果が期待できないおそれがある。本実施の形態1の電動機1では、後述する制御を行うことで、スイッチング損失Plswの改善を図っている。 However, since the SJ-MOSFET 120 has a large area of the PN junction, which is the junction of the p-diffusion layer 124 with respect to the n-semiconductor substrate 125, the switching loss Plsw [J] tends to increase. Therefore, when the switching frequency is high, such as when the carrier frequency is high, the effect of improving the loss (steady state loss + switching loss) of the SJ-MOSFET 120 may not be expected. In the motor 1 of the first embodiment, the switching loss Plsw is improved by performing the control described later.

なお、図4に示した、6個のスイッチ、ゲート駆動回路82、および6個の還流ダイオード等の電子部品は、1つの半導体チップに形成されていてもよく、別々の部品で構成されてもよい。 The electronic components such as the six switches, the gate drive circuit 82, and the six freewheeling diodes shown in FIG. 4 may be formed on one semiconductor chip or may be composed of separate components. Good.

また、本実施の形態1では、コントローラ70が、磁気センサ50が検出する磁極位置信号にしたがって電動機1の回転を制御する場合で説明するが、磁気センサ50を用いた制御に限らない。コントローラ70は、巻線22に流れる電流、巻線22に印加する電圧および巻線22に発生する電圧に基づいてロータマグネット40の磁極位置を推測して電動機1の回転を制御するセンサレス制御を行ってもよい。 Further, in the first embodiment, the case where the controller 70 controls the rotation of the motor 1 according to the magnetic pole position signal detected by the magnetic sensor 50 will be described, but the control is not limited to the control using the magnetic sensor 50. The controller 70 performs sensorless control to control the rotation of the motor 1 by estimating the magnetic pole position of the rotor magnet 40 based on the current flowing through the winding 22 and the voltage applied to the winding 22 and the voltage generated in the winding 22. You may.

また、本実施の形態1では、コントローラ70を含む電子部品を電動機1の内部に設けられる内蔵基板11に搭載する場合で説明したが、このような構成に限らない。例えば、磁気センサ50と抵抗およびコンデンサ等の受動部品を内蔵基板11に実装し、コントローラ70およびパワーIC80をモールド固定子10の外に配置してもよい。 Further, in the first embodiment, the case where the electronic component including the controller 70 is mounted on the built-in substrate 11 provided inside the electric motor 1 has been described, but the present invention is not limited to such a configuration. For example, the magnetic sensor 50 and passive components such as resistors and capacitors may be mounted on the built-in board 11, and the controller 70 and the power IC 80 may be arranged outside the mold stator 10.

また、磁気センサ50は、出力信号がデジタル信号のホールICであってもよく、出力信号がアナログ信号であるホール素子であってもよい。図7は、図1に示した磁気センサがホールICである場合の一例を示すブロック図である。 Further, the magnetic sensor 50 may be a Hall IC whose output signal is a digital signal, or may be a Hall element whose output signal is an analog signal. FIG. 7 is a block diagram showing an example in the case where the magnetic sensor shown in FIG. 1 is a Hall IC.

図7に示すように、磁気センサ50は、センサ部51および増幅部52を有する。増幅部52は、増幅器53、トランジスタ54および抵抗素子55を有する。トランジスタ54のコレクタ電極と抵抗素子55との間に出力端子56が接続されている。センサ部51は、基準電圧v0と、検出する磁極に対応した検知電圧vrとを増幅器53に出力する。増幅器53は、センサ部51から入力される基準電圧v0と検知電圧vrとの電圧差vsを増幅してトランジスタ54のベース電極に出力する。抵抗素子55は、一定の電圧をトランジスタ54のコレクタ電極に印加する。増幅された電圧差vsがトランジスタ54のベース電極に入力されることで、磁気位置信号が出力端子56から出力される。 As shown in FIG. 7, the magnetic sensor 50 has a sensor unit 51 and an amplification unit 52. The amplification unit 52 includes an amplifier 53, a transistor 54, and a resistance element 55. The output terminal 56 is connected between the collector electrode of the transistor 54 and the resistance element 55. The sensor unit 51 outputs the reference voltage v0 and the detection voltage v corresponding to the magnetic pole to be detected to the amplifier 53. The amplifier 53 amplifies the voltage difference vs. the reference voltage v0 input from the sensor unit 51 and the detection voltage v, and outputs the voltage difference vs. to the base electrode of the transistor 54. The resistance element 55 applies a constant voltage to the collector electrode of the transistor 54. When the amplified voltage difference vs. is input to the base electrode of the transistor 54, the magnetic position signal is output from the output terminal 56.

図7に示す磁気センサ50において、センサ部51と増幅部52とが別々の半導体チップで構成される場合について説明する。センサ部51はシリコン以外の半導体である非シリコン半導体に形成され、増幅部52はシリコン半導体に形成される。このような磁気センサ50を非シリコン型ホールICと称する。非シリコン型ホールICは、2つの半導体チップを有する構成なので、センサ中心位置がICボディの中心とは異なった位置に配置される。非シリコン型ホールICのセンサ部51の基体には、アンチモン化インジウム(InSb)などの非シリコン半導体が用いられる。このような非シリコン半導体は、シリコン半導体と比べ、感度が良く、応力歪みによるオフセットが小さいなどの長所がある。ここでは、磁気センサ50が非シリコン型ホールICの場合で説明したが、センサ部51および増幅部52がシリコン半導体に形成され、センサ部51および増幅部52が1つの半導体チップで構成されてもよい。 In the magnetic sensor 50 shown in FIG. 7, a case where the sensor unit 51 and the amplification unit 52 are composed of separate semiconductor chips will be described. The sensor unit 51 is formed of a non-silicon semiconductor which is a semiconductor other than silicon, and the amplification unit 52 is formed of a silicon semiconductor. Such a magnetic sensor 50 is referred to as a non-silicon Hall IC. Since the non-silicon Hall IC has two semiconductor chips, the sensor center position is arranged at a position different from the center of the IC body. A non-silicon semiconductor such as indium antimonide (InSb) is used as the substrate of the sensor unit 51 of the non-silicon Hall IC. Such non-silicon semiconductors have advantages such as higher sensitivity and smaller offset due to stress strain than silicon semiconductors. Here, the case where the magnetic sensor 50 is a non-silicon type Hall IC has been described, but even if the sensor unit 51 and the amplification unit 52 are formed of a silicon semiconductor and the sensor unit 51 and the amplification unit 52 are composed of one semiconductor chip. Good.

次に、本実施の形態1の電動機1の動作を説明する。はじめに、回転子30の磁気位置に基づく、回転子30の回転制御について説明する。磁気センサ50は磁極位置信号をコントローラ70に出力する。コントローラ70は、磁気センサ50から入力される磁極位置信号を基に回転子30の磁極位置を推測する。コントローラ70は、推測した磁極位置と図に示さない上位装置から受信する速度指令信号とに対応して、スイッチング信号を生成する。コントローラ70は、生成したスイッチング信号をパワーIC80に出力する。ゲート駆動回路82は、コントローラ70から受信するスイッチング信号にしたがって上アームスイッチ84t〜86tおよび下アームスイッチ94t〜96tのオンおよびオフを制御する。このようにして、コントローラ70が回転子30のロータマグネット40の磁極位置に応じて、インバータ81内の6つのパワーMOSFETを適切なタイミングでスイッチングすることで、回転子30が駆動力を得て回転する。 Next, the operation of the electric motor 1 of the first embodiment will be described. First, the rotation control of the rotor 30 based on the magnetic position of the rotor 30 will be described. The magnetic sensor 50 outputs a magnetic pole position signal to the controller 70. The controller 70 estimates the magnetic pole position of the rotor 30 based on the magnetic pole position signal input from the magnetic sensor 50. The controller 70 generates a switching signal corresponding to the estimated magnetic pole position and the speed command signal received from the host device (not shown in the figure). The controller 70 outputs the generated switching signal to the power IC 80. The gate drive circuit 82 controls the on and off of the upper arm switches 84t to 86t and the lower arm switches 94t to 96t according to the switching signal received from the controller 70. In this way, the controller 70 switches the six power MOSFETs in the inverter 81 at appropriate timings according to the magnetic pole position of the rotor magnet 40 of the rotor 30, so that the rotor 30 obtains a driving force and rotates. To do.

次に、図4に示したコントローラ70がインバータ81に対して行うPWM制御について説明する。コントローラ70は、PWM制御のデューティ比Drを変えることで、速度指令信号に対応するスイッチングを行う。デューティ比Drは、キャリア周波数の周期Tに対するオン時間の割合である通電率を意味する。巻線22に印加される電圧であるモータ電圧をVmとすると、デューティ比Drが大きいほど、モータ電圧Vmが大きくなる。 Next, the PWM control performed by the controller 70 shown in FIG. 4 on the inverter 81 will be described. The controller 70 performs switching corresponding to the speed command signal by changing the duty ratio Dr of the PWM control. The duty ratio Dr means the energization rate, which is the ratio of the on-time to the period T of the carrier frequency. Assuming that the motor voltage, which is the voltage applied to the winding 22, is Vm, the larger the duty ratio Dr, the larger the motor voltage Vm.

ここで、本実施の形態1のコントローラ70が実行するPWM制御をわかり易く説明するために、比較例のPWM制御について説明する。PWM制御は、120度通電方式で、キャリア周波数が可聴周波数以上の場合であるものとする。可聴周波数とは、例えば、16kHzの周波数である。 Here, in order to explain the PWM control executed by the controller 70 of the first embodiment in an easy-to-understand manner, the PWM control of the comparative example will be described. It is assumed that the PWM control is a 120-degree energization method and the carrier frequency is equal to or higher than the audible frequency. The audible frequency is, for example, a frequency of 16 kHz.

図8は、比較例のPWM制御として、各相の上アームスイッチおよび下アームスイッチに対して相補スイッチングを行う場合を示すタイミングチャートである。図8の縦軸は各スイッチのゲート電極のオンおよびオフを示し、図8の横軸は電気角である。図8に示す区間Int1は、デューティ比Dr0のPWM制御にしたがってスイッチングする部分である。図8に示す区間Int2は、区間Int1のPWM制御の反転信号でスイッチングする部分である。 FIG. 8 is a timing chart showing a case where complementary switching is performed for the upper arm switch and the lower arm switch of each phase as PWM control of a comparative example. The vertical axis of FIG. 8 shows the on and off of the gate electrode of each switch, and the horizontal axis of FIG. 8 is the electric angle. The section Int1 shown in FIG. 8 is a portion that switches according to PWM control of the duty ratio Dr0. The section Int2 shown in FIG. 8 is a portion that is switched by the PWM control inversion signal of the section Int1.

次に、図8に示す2本の破線で挟まれた範囲における、一部のスイッチのオンおよびオフのタイミングと巻線およびスイッチに流れる電流との関係について説明する。説明をわかり易くするため、U相巻線22uからV相巻線22vに電流を流す場合を説明する。 Next, the relationship between the on / off timing of some switches and the current flowing through the winding and the switch in the range between the two broken lines shown in FIG. 8 will be described. In order to make the explanation easy to understand, a case where a current is passed from the U-phase winding 22u to the V-phase winding 22v will be described.

図9〜図11は、図8に示す2本の破線で挟まれた範囲における、U相およびV相の上アームスイッチおよび下アームスイッチの動作手順を示す図である。図12は、図9〜図11におけるU相の上アームスイッチおよび下アームスイッチの動作を示す拡大図である。 9 to 11 are diagrams showing the operation procedure of the upper arm switch and the lower arm switch of the U phase and the V phase in the range sandwiched by the two broken lines shown in FIG. FIG. 12 is an enlarged view showing the operation of the U-phase upper arm switch and the lower arm switch in FIGS. 9 to 11.

図9に示すように、U相の上アームスイッチ84tがオン状態になり、V相の下アームスイッチ95tがオン状態になる。これにより、インバータ81からU相巻線22uを介してV相巻線22vに電流が流れる。 As shown in FIG. 9, the U-phase upper arm switch 84t is turned on, and the V-phase lower arm switch 95t is turned on. As a result, a current flows from the inverter 81 to the V-phase winding 22v via the U-phase winding 22u.

図10に示すように、スイッチング信号に対応するデューティ比Dr0にしたがって、デッドタイムtdの間に、U相の上アームスイッチ84tがオン状態からオフ状態に切り替わる。このとき、巻線22のインダクタ成分により電流が流れ続けようとするため、U相の下アームスイッチ94tの還流ダイオード94dに電流が流れる。デッドタイムtdは、上アームスイッチ84tと下アームスイッチ94tとが短絡することを防止するための時間である。また、キャリア周波数の周期Tにおいて、上アームスイッチ84tのオフ時間をtoffとする。 As shown in FIG. 10, the U-phase upper arm switch 84t is switched from the on state to the off state during the dead time td according to the duty ratio Dr0 corresponding to the switching signal. At this time, since the inductor component of the winding 22 tries to keep the current flowing, the current flows through the freewheeling diode 94d of the U-phase lower arm switch 94t. The dead time td is a time for preventing the upper arm switch 84t and the lower arm switch 94t from being short-circuited. Further, in the carrier frequency cycle T, the off time of the upper arm switch 84t is set to toff.

デッドタイムtdが経過した後、図11に示すように、U相の下アームスイッチ94tがオン状態になる。図12に示すように、上アームスイッチ84tがオン状態からオフ状態に切り替わってからデッドタイムtdが経過した後、下アームスイッチ94tがオン状態になる。これにより、U相の還流ダイオード94dに流れていた電流が下アームスイッチ94tに流れる。下アームスイッチ94tがオン状態で電流が流れることに起因するスイッチ定常損失をPi[J]とする。スイッチ定常損失Piは、スイッチ定常損失電力をwi[W]とすると、Pi=wi×(toff−td)[J]で表される。 After the dead time td has elapsed, as shown in FIG. 11, the U-phase lower arm switch 94t is turned on. As shown in FIG. 12, the lower arm switch 94t is turned on after the dead time td has elapsed since the upper arm switch 84t was switched from the on state to the off state. As a result, the current flowing through the U-phase freewheeling diode 94d flows through the lower arm switch 94t. Let Pi [J] be the switch steady-state loss caused by the flow of current when the lower arm switch 94t is on. The switch steady-state loss Pi is represented by Pi = wi × (toff-td) [J], where wi [W] is the switch steady-state loss power.

また、還流ダイオード94dに電流が流れることに起因する定常損失をPd[J]とする。還流ダイオードの定常損失電力をwd[W]とすると、還流ダイオード94dの定常損失Pdは、Pd=wd×(toff−td)[J]で表される。下アームスイッチ94tはSJ−MOSFET120なので、還流ダイオード94dの定常損失Pdよりも下アームスイッチ94tのスイッチ定常損失Piが小さい。そのため、回路全体の電力損失を低く抑えることができる。 Further, the steady loss caused by the current flowing through the freewheeling diode 94d is defined as Pd [J]. Assuming that the steady loss power of the freewheeling diode is wd [W], the steady loss Pd of the freewheeling diode 94d is represented by Pd = wd × (toff-td) [J]. Since the lower arm switch 94t is the SJ-MOSFET 120, the switch steady loss Pi of the lower arm switch 94t is smaller than the steady loss Pd of the freewheeling diode 94d. Therefore, the power loss of the entire circuit can be suppressed to a low level.

一方、図11に示す動作の際、スイッチング損失Plswが発生する。スイッチング損失Plswは、Δtをスイッチング時間とすると、電圧E×電流I×Δtに比例する値である。電流Iはスイッチングするスイッチに流れる電流である。SJ−MOSFET120はプレーナMOSFET130に比べてスイッチング損失が大きいため、電力損失が大きくなるおそれがある。図9〜図11に示す動作がキャリア周波数の周期T毎に行われる。 On the other hand, during the operation shown in FIG. 11, a switching loss Plsw occurs. The switching loss Plsw is a value proportional to voltage E × current I × Δt, where Δt is the switching time. The current I is the current flowing through the switching switch. Since the SJ-MOSFET 120 has a larger switching loss than the planar MOSFET 130, the power loss may increase. The operations shown in FIGS. 9 to 11 are performed every cycle T of the carrier frequency.

次に、本実施の形態1のコントローラ70が実行するPWM制御について説明する。PWM制御は、120度通電方式で、キャリア周波数が可聴周波数以上であるものとする。図13は、図4に示したコントローラが各相の上アームスイッチおよび下アームスイッチに対して非相補スイッチングを行う場合を示すタイミングチャートである。図13の縦軸は各スイッチのゲート電極のオンおよびオフを示し、図13の横軸は電気角である。図13に示す区間Int1は、デューティ比Dr1のPWM制御にしたがってスイッチングする部分である。 Next, the PWM control executed by the controller 70 of the first embodiment will be described. It is assumed that the PWM control is a 120-degree energization method and the carrier frequency is equal to or higher than the audible frequency. FIG. 13 is a timing chart showing a case where the controller shown in FIG. 4 performs non-complementary switching with respect to the upper arm switch and the lower arm switch of each phase. The vertical axis of FIG. 13 shows the on and off of the gate electrode of each switch, and the horizontal axis of FIG. 13 is the electric angle. The section Int1 shown in FIG. 13 is a portion that switches according to PWM control of the duty ratio Dr1.

次に、図13に示す2本の破線で挟まれた範囲における、一部のスイッチのオンおよびオフのタイミングと巻線およびスイッチに流れる電流との関係について説明する。説明をわかり易くするため、U相巻線22uからV相巻線22vに電流を流す場合を説明する。 Next, the relationship between the on / off timing of some switches and the current flowing through the winding and the switch in the range between the two broken lines shown in FIG. 13 will be described. In order to make the explanation easy to understand, a case where a current is passed from the U-phase winding 22u to the V-phase winding 22v will be described.

図14および図15は、図13に示す2本の破線で挟まれた範囲における、U相およびV相の上アームスイッチおよび下アームスイッチの動作手順を示す図である。図16は、図14および図15におけるU相の上アームスイッチおよび下アームスイッチの動作を示す拡大図である。 14 and 15 are diagrams showing the operation procedure of the upper arm switch and the lower arm switch of the U phase and the V phase in the range sandwiched by the two broken lines shown in FIG. FIG. 16 is an enlarged view showing the operation of the U-phase upper arm switch and the lower arm switch in FIGS. 14 and 15.

図14に示すように、コントローラ70は、U相上アームスイッチをオン状態にし、V相下アームスイッチをオン状態にする。これにより、インバータ81からU相巻線22uを経由してV相巻線22vに電流が流れる。 As shown in FIG. 14, the controller 70 turns on the U-phase upper arm switch and turns on the V-phase lower arm switch. As a result, a current flows from the inverter 81 to the V-phase winding 22v via the U-phase winding 22u.

図15に示すように、コントローラ70は、デューティ比Dr1にしたがって、U相の上アームスイッチ84tをオン状態からオフ状態に切り替える。デューティ比Dr1は、後で詳しく説明する。本実施の形態1では、図16に示すように、コントローラ70は、下アームスイッチ94tをオン状態にしない。図15に示す動作では、巻線22のインダクタ成分により電流が流れ続けようとするため、U相の下アームスイッチ94tの還流ダイオード94dに電流が流れる。このときに発生する損失は、還流ダイオード94dの定常損失Pdである。図14および図15に示す動作がキャリア周波数の周期T毎に行われる。 As shown in FIG. 15, the controller 70 switches the U-phase upper arm switch 84t from the on state to the off state according to the duty ratio Dr1. The duty ratio Dr1 will be described in detail later. In the first embodiment, as shown in FIG. 16, the controller 70 does not turn on the lower arm switch 94t. In the operation shown in FIG. 15, since the inductor component of the winding 22 tries to keep the current flowing, the current flows through the freewheeling diode 94d of the U-phase lower arm switch 94t. The loss generated at this time is the steady loss Pd of the freewheeling diode 94d. The operations shown in FIGS. 14 and 15 are performed every cycle T of the carrier frequency.

図14および図15に示す制御では、コントローラ70は、U相の下アームスイッチ94tをスイッチングしないため、スイッチング損失Plswが発生しない。各スイッチがスイッチング損失の大きいSJ−MOSFET120である場合、本実施の形態1の制御の方が比較例のPWM制御に比べて、回路全体の電力損失が小さくなる。 In the control shown in FIGS. 14 and 15, since the controller 70 does not switch the U-phase lower arm switch 94t, a switching loss Plsw does not occur. When each switch is an SJ-MOSFET 120 having a large switching loss, the control of the first embodiment has a smaller power loss of the entire circuit than the PWM control of the comparative example.

図17は、比較例のPWM制御におけるデューティ比と本実施の形態1のPWM制御におけるデューティ比とを比較するための図である。比較例の相補スイッチングの上アームスイッチ84tのオン時間をton0とし、本実施の形態1の非相補スイッチングの上アームスイッチ84tのオン時間をton1とする。デューティ比Dr0は、Dr0=(ton0/T)で表される。デューティ比Dr1は、Dr1=(ton1/T)で表される。図17から、Dr0<Dr1の関係になることがわかる。 FIG. 17 is a diagram for comparing the duty ratio in the PWM control of the comparative example and the duty ratio in the PWM control of the first embodiment. The on-time of the upper arm switch 84t of the complementary switching of the comparative example is ton0, and the on-time of the upper arm switch 84t of the non-complementary switching of the first embodiment is ton1. The duty ratio Dr0 is represented by Dr0 = (ton0 / T). The duty ratio Dr1 is represented by Dr1 = (ton1 / T). From FIG. 17, it can be seen that the relationship is Dr0 <Dr1.

図17において、比較例のU相の上アームスイッチ84tは、オン時間ton0に、V相の還流ダイオード95dに電流が流れるため、定常損失は低減する。しかし、上アームスイッチ84tがオフ状態からオン状態に切り替わる際に、スイッチング損失Plswが発生する。これに対して、本実施の形態1のU相の上アームスイッチ84tは、オン時間ton1がオン時間ton0よりも長く、スイッチの切り替えがない。そのため、スイッチング損失Plswが発生しない。また、本実施の形態1のU相の上アームスイッチ84tは、オン時間ton1が長くなる分、オフ時間が短くなるため、還流ダイオード94dに電流が流れる時間が短くなる。そのため、電力損失が抑制される。 In FIG. 17, in the U-phase upper arm switch 84t of the comparative example, a current flows through the V-phase freewheeling diode 95d during the on-time ton0, so that the steady loss is reduced. However, when the upper arm switch 84t is switched from the off state to the on state, a switching loss Plsw occurs. On the other hand, in the U-phase upper arm switch 84t of the first embodiment, the on-time ton1 is longer than the on-time ton0, and the switch is not changed. Therefore, switching loss Plsw does not occur. Further, in the U-phase upper arm switch 84t of the first embodiment, the off time is shortened by the lengthening of the on-time ton1, so that the time for the current to flow through the freewheeling diode 94d is shortened. Therefore, the power loss is suppressed.

図9〜図11を参照して説明した比較例のPWM制御では、キャリア周波数の周期Tにおける電力損失はPlsw+Piとなる。一方、図13および図14を参照して説明したPWM制御では、キャリア周波数の周期Tにおける電力損失はPdとなる。これらの内容から、Plsw+Pi>Pdの条件を満たさなければ、各スイッチにSJ−MOSFET120を適用することによる電力損失低減の効果が得られない。そこで、本実施の形態1では、コントローラ70は、Plsw+Pi>Pdの条件を満たすデューティ比Dr1でPWM制御を行う。還流ダイオードの定常損失Pdとスイッチ定常損失Piとの損失差をPdiとすると、損失差Pdiは、Pdi=Pd−Piで算出される。つまり、コントローラ70は、Plsw>Pdiの条件を満たすデューティ比Dr1でPWM制御を行う。 In the PWM control of the comparative example described with reference to FIGS. 9 to 11, the power loss in the period T of the carrier frequency is Plsw + Pi. On the other hand, in the PWM control described with reference to FIGS. 13 and 14, the power loss in the period T of the carrier frequency is Pd. From these contents, unless the condition of Plsw + Pi> Pd is satisfied, the effect of reducing the power loss by applying the SJ-MOSFET 120 to each switch cannot be obtained. Therefore, in the first embodiment, the controller 70 performs PWM control with a duty ratio Dr1 satisfying the condition of Plsw + Pi> Pd. Assuming that the loss difference between the steady-state loss Pd of the freewheeling diode and the steady-state loss Pi of the switch is Pdi, the loss difference Pdi is calculated by Pdi = Pd-Pi. That is, the controller 70 performs PWM control with a duty ratio Dr1 satisfying the condition of Plsw> Pdi.

スイッチの定常損失Piは(オン抵抗×電流)に比例し、還流ダイオードの定常損失Pdは(順方向電圧×電流)に比例するが、上述したように、スイッチの定常損失Piが還流ダイオードの定常損失Pdよりも小さい。そのため、相補スイッチングの場合、上アームスイッチのオン時間とオフ時間では損失差が大きい。特に、SJ−MOSFET120はオン抵抗が小さいため、相補スイッチングで上アームスイッチのオン状態とオフ状態の損失差は顕著となる。そのため、スイッチがSJ−MOSFET120の場合、上アームスイッチおよび下アームスイッチを相補スイッチングで制御するよりも、上アームスイッチを高デューティ比で非相補スイッチングした方が、電動機の出力が同じでも、電力損失が抑制される。その結果、電力効率が向上する。 The steady loss Pi of the switch is proportional to (on resistance x current), and the steady loss Pd of the freewheeling diode is proportional to (forward voltage x current). It is smaller than the loss Pd. Therefore, in the case of complementary switching, the loss difference is large between the on-time and the off-time of the upper arm switch. In particular, since the SJ-MOSFET 120 has a small on-resistance, the loss difference between the on-state and the off-state of the upper arm switch becomes remarkable in complementary switching. Therefore, when the switch is SJ-MOSFET 120, power loss is achieved by non-complementary switching of the upper arm switch with a high duty ratio rather than controlling the upper arm switch and lower arm switch by complementary switching, even if the output of the motor is the same. Is suppressed. As a result, power efficiency is improved.

回転子30の回転によって巻線22に生じる誘起電圧の係数である誘起電圧定数をKeとし、回転数をNとし、巻線抵抗により発生する電圧をVrとし、巻線インダクタンスにより発生する電圧をVlとすると、モータ電圧Vmは、次の式(1)で表される。
Vm=Ke×N+Vr+Vl ・・・(1)
The induced voltage constant, which is the coefficient of the induced voltage generated in the winding 22 by the rotation of the rotor 30, is Ke, the rotation speed is N, the voltage generated by the winding resistance is Vr, and the voltage generated by the winding inductance is Vl. Then, the motor voltage Vm is expressed by the following equation (1).
Vm = Ke × N + Vr + Vl ・ ・ ・ (1)

モータ電圧Vmは、(電圧E×デューティ比Dr)に比例する値なので、デューティ比Drに比例する。式(1)から、デューティ比Drを大きくするためのパラメータがいくつか考えられる。右辺第1項の誘起電圧定数Keがデューティ比Drに影響を与えるパラメータの1つである。電動機1の誘起電圧定数Keが大きいほど、デューティ比Drが大きくなり、回路全体の電力損失を低減できる。 Since the motor voltage Vm is a value proportional to (voltage E × duty ratio Dr), it is proportional to the duty ratio Dr. From the equation (1), some parameters for increasing the duty ratio Dr can be considered. The induced voltage constant Ke of the first term on the right side is one of the parameters affecting the duty ratio Dr. The larger the induced voltage constant Ke of the motor 1, the larger the duty ratio Dr, and the power loss of the entire circuit can be reduced.

また、誘起電圧定数Keは巻線22のターン数に比例する。そのため、巻線22のターン数を増やすことで、電力効率が向上する。また、誘起電圧定数Keは、回転子30のメインマグネット部の磁力に比例する。そのため、メインマグネット部の磁力を上げることで、電力効率が向上する。巻線22のターン数を多くすることで、誘起電圧定数Keが大きくなる。その結果、モータ電圧Vmが大きくなり、デューティ比Drも大きくなる。 Further, the induced voltage constant Ke is proportional to the number of turns of the winding 22. Therefore, the power efficiency is improved by increasing the number of turns of the winding 22. Further, the induced voltage constant Ke is proportional to the magnetic force of the main magnet portion of the rotor 30. Therefore, by increasing the magnetic force of the main magnet portion, the power efficiency is improved. By increasing the number of turns of the winding 22, the induced voltage constant Ke becomes large. As a result, the motor voltage Vm becomes large, and the duty ratio Dr also becomes large.

特に、巻線22のターン数を増加する分、巻線の線径を細くすることにより、同じ巻線重量で、より電力効率の向上を図ることができる。巻線重量が同じであれば、材料単価の高い巻線にかかる費用は変わらないので、電動機1の製造コストが高くなることを抑制できる。 In particular, by increasing the number of turns of the winding 22 and reducing the wire diameter of the winding, it is possible to further improve the power efficiency with the same winding weight. If the winding weights are the same, the cost for windings having a high material unit price does not change, so that it is possible to suppress an increase in the manufacturing cost of the motor 1.

なお、本実施の形態1では、キャリア周波数が可聴周波数以上の場合で説明したが、可聴周波数未満であってもよい。電動機1が空気調和機のファンモータである場合、ファンモータおよびファンは風路に設置されているため、モータの駆動によって発生する音の対策が困難である。そのため、キャリア周波数は可聴周波数以上であることが望ましい。ただし、電動機1が圧縮機に用いられる場合など、電動機1を防音材などで覆うことができる場合、キャリア周波数を可聴周波数より小さい値にしてもよい。この場合、スイッチング損失Plswを低減することができる。 In the first embodiment, the case where the carrier frequency is equal to or higher than the audible frequency has been described, but the frequency may be lower than the audible frequency. When the electric motor 1 is a fan motor of an air conditioner, since the fan motor and the fan are installed in the air passage, it is difficult to take measures against the noise generated by driving the motor. Therefore, it is desirable that the carrier frequency is equal to or higher than the audible frequency. However, when the motor 1 can be covered with a soundproof material or the like, such as when the motor 1 is used as a compressor, the carrier frequency may be set to a value smaller than the audible frequency. In this case, the switching loss Plsw can be reduced.

本実施の形態1の電動機1は、回転子30と、固定子20と、3組の上アームスイッチおよび下アームスイッチと、一定のキャリア周波数で3組の上アームスイッチおよび下アームスイッチを非相補スイッチングでパルス幅変調を行うコントローラ70とを有する。3組の上アームスイッチおよび下アームスイッチはSJ−MOSFETである。コントローラ70は、上アームスイッチおよび下アームスイッチが相補スイッチングで動作する場合における、上アームスイッチのオン時間よりも長いオン時間のデューティ比でパルス幅変調を行う。 The motor 1 of the first embodiment does not complement the rotor 30, the stator 20, three sets of upper arm switch and lower arm switch, and three sets of upper arm switch and lower arm switch at a constant carrier frequency. It has a controller 70 that performs pulse width modulation by switching. The three sets of upper arm switch and lower arm switch are SJ-MOSFETs. The controller 70 performs pulse width modulation with a duty ratio of an on-time longer than the on-time of the upper arm switch when the upper arm switch and the lower arm switch operate in complementary switching.

本実施の形態1では、コントローラ70がインバータ81の上アームスイッチおよび下アームスイッチを非相補スイッチングで動作させるため、下アームスイッチのスイッチング動作に起因するスイッチング損失Plswが発生しない。また、コントローラ70は、相補スイッチングの場合に比べて上アームスイッチのオン時間を長くした高デューティ比Dr1でパルス幅変調を行うことで、スイッチ定常損失Piよりも損失が大きい還流ダイオードに電流の流れる時間が短くなる。そのため、上アームスイッチおよび下アームスイッチにSJ−MOSFET120を用いても、インバータ81を含む回路全体の電力損失を抑制できる。 In the first embodiment, since the controller 70 operates the upper arm switch and the lower arm switch of the inverter 81 by non-complementary switching, switching loss Plsw due to the switching operation of the lower arm switch does not occur. Further, the controller 70 performs pulse width modulation with a high duty ratio Dr1 in which the on-time of the upper arm switch is lengthened as compared with the case of complementary switching, so that a current flows through the freewheeling diode having a larger loss than the switch steady loss Pi. The time is shortened. Therefore, even if the SJ-MOSFET 120 is used for the upper arm switch and the lower arm switch, the power loss of the entire circuit including the inverter 81 can be suppressed.

本実施の形態1において、コントローラ70は、Plsw>Pdiの条件を満たすデューティ比Dr1でPWM制御を行ってもよい。この場合、回路全体の電力損失が低減し、電力効率が向上する。 In the first embodiment, the controller 70 may perform PWM control with a duty ratio Dr1 satisfying the condition of Plsw> Pdi. In this case, the power loss of the entire circuit is reduced and the power efficiency is improved.

実施の形態2.
本実施の形態2は、実施の形態1で説明した電動機を搭載する空気調和機である。本実施の形態2では、実施の形態1で説明した構成については同一の構成については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
Embodiment 2.
The second embodiment is an air conditioner equipped with the motor described in the first embodiment. In the second embodiment, the same configurations are designated by the same reference numerals to the configurations described in the first embodiment, and detailed description thereof will be omitted.

本発明の実施の形態2に係る空気調和機の構成を説明する。図18は、本発明の実施の形態2に係る空気調和機の一構成例を示す外観図である。空気調和機200は、室内機210と、室内機210と冷媒配管251で接続される室外機220とを有する。室外機220は、熱源側送風機223を有する。 The configuration of the air conditioner according to the second embodiment of the present invention will be described. FIG. 18 is an external view showing a configuration example of the air conditioner according to the second embodiment of the present invention. The air conditioner 200 includes an indoor unit 210 and an outdoor unit 220 connected to the indoor unit 210 by a refrigerant pipe 251. The outdoor unit 220 has a heat source side blower 223.

図19は、図18に示した空気調和機の一構成例を示す冷媒回路図である。室外機220は、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機221と、冷媒の流通方向を切り替える四方弁226と、冷媒を外気と熱交換させる熱源側熱交換器222と、外気を熱源側熱交換器222に供給する熱源側送風機223とを有する。熱源側送風機223には、ファンの駆動源として電動機224が接続されている。 FIG. 19 is a refrigerant circuit diagram showing a configuration example of the air conditioner shown in FIG. The outdoor unit 220 includes a compressor 221 that compresses and discharges the refrigerant, a four-way valve 226 that switches the flow direction of the refrigerant, a heat source side heat exchanger 222 that exchanges heat with the outside air, and a heat source side heat exchanger that exchanges the outside air with the outside air. It has a heat source side blower 223 that supplies 222. An electric motor 224 is connected to the heat source side blower 223 as a drive source for the fan.

室内機210は、高圧の冷媒を減圧して膨張させる絞り装置211と、冷媒を空調対象空間の空気と熱交換させる負荷側熱交換器212と、空調対象空間の空気を負荷側熱交換器212に供給する負荷側送風機213とを有する。負荷側送風機213には、ファンの駆動源として電動機214が接続されている。電動機214および224には、実施の形態1で説明した電動機1が用いられている。 The indoor unit 210 includes a throttle device 211 that decompresses and expands a high-pressure refrigerant, a load-side heat exchanger 212 that exchanges heat with the air in the air-conditioned space, and a load-side heat exchanger 212 that exchanges heat in the air-conditioned space. It has a load side blower 213 that supplies the air to the air conditioner. A motor 214 is connected to the load-side blower 213 as a drive source for the fan. As the electric motors 214 and 224, the electric motor 1 described in the first embodiment is used.

圧縮機221、熱源側熱交換器222、絞り装置211および負荷側熱交換器212が冷媒配管251で接続され、冷媒が循環する冷媒回路250が構成される。図19に示す構成例では、室内機210が空気調和機200の冷凍サイクルを制御する制御装置215を有しているが、制御装置215は室外機220に設けられていてもよい。制御装置215は、図1に示したリード線13で内蔵基板11と接続されている。 The compressor 221 and the heat source side heat exchanger 222, the throttle device 211, and the load side heat exchanger 212 are connected by a refrigerant pipe 251 to form a refrigerant circuit 250 in which the refrigerant circulates. In the configuration example shown in FIG. 19, the indoor unit 210 has a control device 215 that controls the refrigeration cycle of the air conditioner 200, but the control device 215 may be provided in the outdoor unit 220. The control device 215 is connected to the built-in board 11 by the lead wire 13 shown in FIG.

図20は、図18に示した室内機の一構成例を示す側面透視図である。図21は、比較例の室内機の一構成例を示す側面透視図である。図20および図21では、説明のために、室内機の主要構成を示し、他の構成を図に示すことを省略している。 FIG. 20 is a side perspective view showing a configuration example of the indoor unit shown in FIG. FIG. 21 is a side perspective view showing a configuration example of the indoor unit of the comparative example. In FIG. 20 and FIG. 21, for the sake of explanation, the main configuration of the indoor unit is shown, and the other configurations are omitted from the drawings.

図20では、室内機210が壁300に取り付けられた場合を示す。負荷側送風機213が回転することで、空調対象空間である室内の空気が室内機210に吸い込まれ、負荷側熱交換器212において冷媒と熱交換を行った後、吹き出し口230から室内に吹き出される。 FIG. 20 shows a case where the indoor unit 210 is attached to the wall 300. When the load-side blower 213 rotates, the air in the room, which is the space to be air-conditioned, is sucked into the indoor unit 210, and after heat exchange with the refrigerant in the load-side heat exchanger 212, it is blown out into the room from the outlet 230. To.

図21に示すように、比較例の室内機310は壁300に取り付けられている。室内機310は、負荷側熱交換器312と、負荷側送風機313とを有する。負荷側送風機313が回転することで、室内の空気が室内機310に吸い込まれ、負荷側熱交換器312において冷媒と熱交換を行った後、吹き出し口330から室内に吹き出される。 As shown in FIG. 21, the indoor unit 310 of the comparative example is attached to the wall 300. The indoor unit 310 has a load side heat exchanger 312 and a load side blower 313. When the load-side blower 313 rotates, indoor air is sucked into the indoor unit 310, and after heat exchange with the refrigerant in the load-side heat exchanger 312, it is blown out into the room from the outlet 330.

図20および図21に示すように、本実施の形態2の空気調和機200の室内機210は、比較例の室内機310と比べて、筐体およびファンの直径が大きい。そのため、負荷側送風機213は、低い回転数で、より多くの風量の空気を吹き出すことができる。その結果、負荷側送風機213は、比較例の室内機310の負荷側送風機313と比べて、最大回転数が低くなる。 As shown in FIGS. 20 and 21, the indoor unit 210 of the air conditioner 200 of the second embodiment has a larger housing and fan diameter than the indoor unit 310 of the comparative example. Therefore, the load-side blower 213 can blow out a larger amount of air at a low rotation speed. As a result, the load-side blower 213 has a lower maximum rotation speed than the load-side blower 313 of the indoor unit 310 of the comparative example.

実施の形態1で説明した式(1)を参照すると、右辺第1項に回転数Nが含まれるため、誘起電圧定数Keが大きくなると最大回転数が低くなってしまう。これに対して、本実施の形態2のように、最大回転数が低い負荷側送風機213であれば、このデメリットの影響は小さい。室内機210の筐体およびファンの直径を大きくすることで、空気調和機200全体として、電力効率の向上を図ることができる。また、負荷側送風機213が回転することで、2以上の物が擦れ合う摺動部があっても、送風機の回転数が低い方が摺動部で発生する騒音が小さくなる。その結果、風量の大きさに比例して発生する騒音が小さくなるというメリットもある。 With reference to the equation (1) described in the first embodiment, since the rotation speed N is included in the first term on the right side, the maximum rotation speed decreases as the induced voltage constant Ke increases. On the other hand, if the load side blower 213 has a low maximum rotation speed as in the second embodiment, the influence of this demerit is small. By increasing the diameter of the housing of the indoor unit 210 and the fan, it is possible to improve the power efficiency of the air conditioner 200 as a whole. Further, since the load side blower 213 rotates, even if there is a sliding portion where two or more objects rub against each other, the lower the rotation speed of the blower, the smaller the noise generated in the sliding portion. As a result, there is also an advantage that the noise generated in proportion to the magnitude of the air volume is reduced.

また、空気調和機は、一般的には、最大回転数とは別に定格運転の回転数が設定されている。定格運転は、暖房運転、冷房運転および除湿運転の各運転モードで回転数が異なる場合がある。例えば、暖房運転、冷房運転および除湿運転の運転モード毎に異なる回転数が設定される。温度は空気密度に比例するため、送風機の回転数が同じでも、送風機の回転数に対するトルクが異なることがある。このような場合、必要なトルクに対応して、送風機の電動機のインバータを異なるデューティ比Drで制御する必要がある。特に室外機の場合、暖房運転時の外気温度と冷房運転時の外気温度とは温度差が大きいため、必要なトルクの差は顕著である。定格運転の効率は、市場で空気調和機が使われているときの電力効率に影響し、その結果、電気代にも大きく影響する。 Further, in the air conditioner, the rotation speed of the rated operation is generally set separately from the maximum rotation speed. In the rated operation, the rotation speed may differ in each operation mode of heating operation, cooling operation, and dehumidification operation. For example, different rotation speeds are set for each operation mode of heating operation, cooling operation, and dehumidification operation. Since the temperature is proportional to the air density, the torque with respect to the rotation speed of the blower may be different even if the rotation speed of the blower is the same. In such a case, it is necessary to control the inverter of the electric motor of the blower with a different duty ratio Dr according to the required torque. In particular, in the case of an outdoor unit, the difference in required torque is remarkable because the temperature difference between the outside air temperature during the heating operation and the outside air temperature during the cooling operation is large. The efficiency of rated operation affects the power efficiency when air conditioners are used in the market, and as a result, the electricity bill is also greatly affected.

近年、空気調和機は、ファンの直径を大きくして空力効率を向上させているため、送風機は、低回転、かつ高トルクの運転になる傾向がある。本実施の形態2では、実施の形態1で説明した電動機1を送風機モータに適用することで、ファンの負荷を軽減し、電力消費効率を向上させた空気調和機を実現できる。 In recent years, since air conditioners have increased the diameter of fans to improve aerodynamic efficiency, blowers tend to operate at low speed and high torque. In the second embodiment, by applying the electric motor 1 described in the first embodiment to the blower motor, it is possible to realize an air conditioner in which the load on the fan is reduced and the power consumption efficiency is improved.

また、送風機モータのように、キャリア周波数が高く、かつ巻線に流れる電流が小さいモータのインバータのスイッチング素子にSJ−MOSFETを用いると、スイッチング損失が大きくなり、回路全体の電力損失の低減を図れない。これに対して、本実施の形態2では、電動機1をファンモータの駆動源に用いても、上述したように、プレーナMOSFETに比べて、回路全体の電力損失を低減できる。 Further, if SJ-MOSFET is used for the switching element of the inverter of a motor having a high carrier frequency and a small current flowing in a winding such as a blower motor, the switching loss becomes large and the power loss of the entire circuit can be reduced. Absent. On the other hand, in the second embodiment, even if the motor 1 is used as the drive source of the fan motor, the power loss of the entire circuit can be reduced as compared with the planar MOSFET as described above.

なお、本実施の形態2では、電動機1が空気調和機200に搭載される場合で説明したが、電動機1が搭載される装置は空気調和機200に限らない。電動機1は、例えば、換気扇、家電機器および工作機などの他の装置に搭載されてもよい。これらの装置に電動機1が搭載されても、本実施の形態2と同様な効果が得られる。 In the second embodiment, the case where the motor 1 is mounted on the air conditioner 200 has been described, but the device on which the motor 1 is mounted is not limited to the air conditioner 200. The electric motor 1 may be mounted on other devices such as a ventilation fan, a home electric appliance, and a machine tool. Even if the electric motor 1 is mounted on these devices, the same effect as that of the second embodiment can be obtained.

1 電動機、10 モールド固定子、11、11a 内蔵基板、12 モールド樹脂、13 リード線、14 リード口出し部、20 固定子、21 固定子鉄心、22 巻線、22u U相巻線、22v V相巻線、22w W相巻線、23 インシュレータ、30 回転子、31 回転軸、33 出力側軸受、34 反出力側軸受、35 貫通穴、36 切り欠き部、40 ロータマグネット、50 磁気センサ、51 センサ部、52 増幅部、53 増幅器、54 トランジスタ、55 抵抗素子、56 出力端子、60 ブラケット、61 圧入部、70 コントローラ、71 過電流検出抵抗、79 モジュール、80 パワーIC、81 インバータ、82 ゲート駆動回路、83 保護回路、84d〜86d 還流ダイオード、84t〜86t 上アームスイッチ、94d〜96d 還流ダイオード、94t〜96t 下アームスイッチ、120 SJ−MOSFET、121 ゲート電極、122 ドレイン電極、123 ソース電極、124 p拡散層、125 n−半導体基板、126 n+拡散層、127 酸化膜、130 プレーナMOSFET、131 p拡散層、200 空気調和機、210 室内機、211 絞り装置、212 負荷側熱交換器、213 負荷側送風機、214 電動機、215 制御装置、220 室外機、221 圧縮機、222 熱源側熱交換器、223 熱源側送風機、224 電動機、226 四方弁、230 吹き出し口、250 冷媒回路、251 冷媒配管、300 壁、310 室内機、312 負荷側熱交換器、313 負荷側送風機、330 吹き出し口。 1 Motor, 10 Mold stator, 11, 11a Built-in substrate, 12 Mold resin, 13 Lead wire, 14 Lead outlet, 20 Stator, 21 Stator core, 22 winding, 22u U-phase winding, 22v V-phase winding Wire, 22w W-phase winding, 23 insulator, 30 stator, 31 rotating shaft, 33 output side bearing, 34 counter output side bearing, 35 through hole, 36 notch, 40 rotor magnet, 50 magnetic sensor, 51 sensor part , 52 Amplifier, 53 Amplifier, 54 Transistor, 55 Resistor, 56 Output Terminal, 60 Bracket, 61 Press Fit, 70 Controller, 71 Overcurrent Detection Resistance, 79 Module, 80 Power IC, 81 Inverter, 82 Gate Drive Circuit, 83 protection circuit, 84d-86d recirculation diode, 84t-86t upper arm switch, 94d-96d recirculation diode, 94t-96t lower arm switch, 120 SJ-MOSFET, 121 gate electrode, 122 drain electrode, 123 source electrode, 124 p diffusion Layer, 125 n-semiconductor substrate, 126 n + diffusion layer, 127 oxide film, 130 planar MOSFET, 131 p diffusion layer, 200 air conditioner, 210 indoor unit, 211 throttle device, 212 load side heat exchanger, 213 load side blower , 214 motor, 215 controller, 220 outdoor unit, 221 compressor, 222 heat source side heat exchanger, 223 heat source side blower, 224 motor, 226 four-way valve, 230 outlet, 250 refrigerant circuit, 251 refrigerant piping, 300 walls, 310 Indoor unit, 312 Load side heat exchanger, 313 Load side blower, 330 Outlet.

Claims (7)

回転軸が挿入された回転子と、
前記回転子の外周に設けられ、3相の巻線を備えた固定子と、
前記3相に対応する3組の上アームスイッチおよび下アームスイッチと、前記3組の上アームスイッチおよび下アームスイッチの各スイッチに並列接続された還流ダイオードとを含むインバータと、
一定のキャリア周波数で前記3組の上アームスイッチおよび下アームスイッチを非相補スイッチングでパルス幅変調を行うコントローラと、を有し、
前記3組の上アームスイッチおよび下アームスイッチの各スイッチはスーパージャンクション電界効果トランジスタであり、
前記コントローラは、前記上アームスイッチおよび前記下アームスイッチが相補スイッチングで動作する場合における前記上アームスイッチのオン時間よりも長いオン時間のデューティ比で前記パルス幅変調を行う
電動機。
With the rotor with the axis of rotation inserted,
A stator provided on the outer circumference of the rotor and provided with three-phase windings,
An inverter including three sets of upper arm switches and lower arm switches corresponding to the three phases and a freewheeling diode connected in parallel to each of the three sets of upper arm switches and lower arm switches.
It has a controller that performs pulse width modulation of the three sets of upper arm switch and lower arm switch by non-complementary switching at a constant carrier frequency.
Each of the three sets of upper arm switch and lower arm switch is a super junction field effect transistor.
The controller is an electric motor that performs pulse width modulation with a duty ratio of an on-time longer than the on-time of the upper arm switch when the upper arm switch and the lower arm switch operate by complementary switching.
前記上アームスイッチおよび前記下アームスイッチが前記相補スイッチングで動作する場合のスイッチング損失をPlswとし、前記還流ダイオードの定常損失をPdとし、前記下アームスイッチの定常損失をPiとするとき、
前記コントローラは、Plsw>Pd−Piの条件を満たすデューティ比で前記パルス幅変調を行う、請求項1に記載の電動機。
When the switching loss when the upper arm switch and the lower arm switch operate in the complementary switching is Plsw, the steady loss of the freewheeling diode is Pd, and the steady loss of the lower arm switch is Pi,
The motor according to claim 1, wherein the controller performs the pulse width modulation at a duty ratio satisfying the condition of Plsw> Pd-Pi.
前記還流ダイオードの定常損失電力をwdとし、前記下アームスイッチの定常損失電力をwiとし、前記キャリア周波数の周期に対する、前記相補スイッチングの前記上アームスイッチのオフ時間をtoffとし、前記相補スイッチングにおいて前記上アームスイッチがオフしてから前記下アームスイッチがオンするまでのデッドタイムをtdとするとき、
前記還流ダイオードの定常損失Pd=wd×(toff−td)であり、
前記下アームスイッチの定常損失Pi=wi×(toff−td)である、
請求項2に記載の電動機。
The steady loss power of the freewheeling diode is wd, the steady loss power of the lower arm switch is wi, and the off time of the upper arm switch of the complementary switching with respect to the period of the carrier frequency is toff. When the dead time from when the upper arm switch is turned off to when the lower arm switch is turned on is td.
The steady loss Pd = wd × (toff-td) of the freewheeling diode.
The steady loss Pi = wi × (toff-td) of the lower arm switch.
The motor according to claim 2.
前記条件を満たす前記デューティ比は、前記回転子の回転によって前記巻線に生じる誘起電圧の係数である誘起電圧定数に比例する、請求項2または3に記載の電動機。 The motor according to claim 2 or 3, wherein the duty ratio satisfying the above conditions is proportional to an induced voltage constant which is a coefficient of an induced voltage generated in the winding by the rotation of the rotor. 前記巻線は、前記誘起電圧定数となる巻線ターン数である、請求項4に記載の電動機。 The motor according to claim 4, wherein the winding is the number of winding turns that becomes the induced voltage constant. 前記コントローラは、可聴周波数以上の前記キャリア周波数で前記パルス幅変調を行う、請求項1〜5のいずれか1項に記載の電動機。 The motor according to any one of claims 1 to 5, wherein the controller performs the pulse width modulation at the carrier frequency equal to or higher than the audible frequency. 負荷側送風機を含む室内機と、
熱源側送風機を含む室外機と、
前記負荷側送風機および前記熱源側送風機のうち、少なくとも一方の駆動源として設けられた、請求項1〜6のいずれか1項に記載の電動機と、
を有する空気調和機。
Indoor units including load side blowers and
An outdoor unit including a heat source side blower and
The electric motor according to any one of claims 1 to 6, which is provided as a drive source for at least one of the load side blower and the heat source side blower.
Air conditioner with.
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