(57)【要約】【課題】  高速の演算処理を要することなく、また余分な部材を要することなく、ロータの慣性モーメントを大きくすることができ、これによりセンサレスベクトル制御による３相正弦波駆動の安定度が増して異常停止や効率の低下を回避することが可能な信頼性にすぐれた電動圧縮機を提供する。【解決手段】  永久磁石４３を有するロータ４２および複数の相巻線４６を有するステータ４４からなるモータが搭載されている。そして、運転時の圧縮負荷トルク変動による角加速度が１０００（ｒａｄ／ｓ−２）以下となるように、ロータ４２が構成されている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石を有するロータおよび複数の相巻線を有するステータからなるモータを搭載した電動圧縮機において、
運転時の圧縮負荷トルク変動による角加速度が１０００（ｒａｄ／ｓ−２）以下となるように前記ロータを構成したことを特徴とする電動圧縮機。
【請求項２】
前記モータは、前記ロータを前記ステータの外側に配したアウタロータ形であり、前記ロータの永久磁石は、希土類磁石であることを特徴とする請求項１に記載の電動圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、センサレスベクトル制御により３相正弦波駆動される電動圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、１シリンダ形のロータリ圧縮機構部またはレシプロ圧縮機構部を備えた電動圧縮機の例として、例えば図５に示す１シリンダ形ロータリ電動圧縮機がある。この１シリンダ形ロータリ電動圧縮機は、一般に、センサレスベクトル制御により３相正弦波駆動される（例えば、特許文献１）。
【０００３】
１シリンダ形ロータリ電動圧縮機は、図５に示すように、密閉ケース１で覆われている。密閉ケース１には、下部に吸込管２が取付けられ、上部に吐出管３およびターミナル端子４が設けられている。密閉ケース１の内部には、電動機部としてブラシレスＤＣモータ１０が収容されているとともに、圧縮機構部２０が収容されている。
【０００４】
ブラシレスＤＣモータ１０は、ステータ１１およびロータ１２からなる。ステータ１１の内周面には多数の磁極歯１１ａが配列され、これら磁極歯１１ａに複数の相巻線１３が集中巻されている。ロータ１２は、図６および図７に示すように、円盤状の多数枚の鋼板が軸方向に積層されることにより形成され、芯となる部分にシャフト１４が通るとともに、そのシャフト１４を囲む位置に４つの永久磁石片１５が収容されている。ステータ１１の各相巻線１３に対する通電が順次切換えられることにより（転流）、各相巻線１３に順次に磁界が生じ、それとロータ１２の各永久磁石片５が作る磁界との相互作用により、ロータ１２に回転トルクが生じる。
【０００５】
圧縮機構部２０は、上記シャフト１４を支持するためのメインベアリング２１およびサブベアリング２２を有し、この両ベアリング２１，２２間にシリンダ２３を有している。シリンダ２３内にはシャフト１４の偏心部１４ａが収容される。この偏心部１４ａの外周にローラ２４が装着され、そのローラ２４の周りに圧縮室２５が形成される。圧縮室２５には吸込口２６が連通され、その吸込口２６に上記吸込管２が連通されている。また、シリンダ２３において、圧縮室２５と対応する位置に吐出口（図示しない）が形成されている。
【０００６】
ブラシレスＤＣモータ１０が駆動されてロータ１２およびシャフト１４が回転することにより、圧縮機構部２０のローラ２４が偏心回転し、圧縮室２５に吸入圧が生じる。この吸入圧によって吸込管２から圧縮室２５に冷媒が吸込まれる。吸込まれた冷媒は圧縮室２５で圧縮された後、上記吐出口から密閉ケース１内へ吐出される。密閉ケース１内へ吐出された冷媒は、上記吐出管３を介して上記冷凍サイクルに供給される。
【０００７】
密閉ケース１の内底部には潤滑油（図示しない）が収容されている。この潤滑油は、圧縮機構部２０の機械的な潤滑作用を確保しながら、圧縮機構部２０を冷却する。
【０００８】
このような１シリンダ形ロータリ電動圧縮機のブラシレスＤＣモータ１０を駆動するために、図８に示すようなセンサレスベクトル制御回路が用意されている。このセンサレスベクトル制御回路は、ブラシレスＤＣモータ１０のロータ位置をセンサで直接的に検知せず、ロータ位置を駆動電流から推定し、推定したロータ位置に応じてブラシレスＤＣモータに対する駆動電圧を制御する。
【特許文献１】特開２００２−２９１２８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記の１シリンダ形ロータリ電動圧縮機では、１回転中の圧縮負荷トルクの変動が、図９に示すように非常に大きくなる。圧縮負荷トルクの変動は、モータの発生トルクとの不一致をもたらし、発生トルクと負荷トルクとの差に応じてロータの速度が１回転中で変動してしまう。
【００１０】
センサレスベクトル制御による３相正弦波駆動においては、駆動電流値やモータ定数（インダクタンス、直流抵抗）を用いた演算によりロータ位置を推定し、推定したロータ位置に応じて駆動電圧を制御しているが、ロータ位置の推定演算では、ロータの速度変化率（角加速度）が大きい場合に、推定に誤差が生じ、適切な駆動電圧を生成できないことがある。
【００１１】
図９は、モータ駆動電流波形とロータ位置（無負荷誘起電圧波形で表わしている）との関係、および圧縮負荷トルクと回転数変動との関係を示しており、ロータの回転数が変動するとともに、モータ駆動電流が脈動し、かつ誘起電圧（＝無負荷誘起電圧）と駆動電流の位相が揺動し、誘起電圧に対して電流が進んだり遅れたりしている。
【００１２】
駆動電流が脈動したり、あるいは誘起電圧と駆動電流の位相の揺動があると、安定度が低下して異常停止しやすくなり、またモータの効率が大幅に低下し、電動圧縮機の効率が低下する。
【００１３】
これらの問題は、センサレスベクトル制御の制御周期を短くし、１回転中の演算出力の回数を増加させることである程度の改善が可能であるが、制御周期を短くするためにはより高速の演算処理が必要となり、制御ユニットが高価になる。
【００１４】
また、モータの小型化および高効率化のために永久磁石として希土類磁石を採用することが行われるが、希土類磁石を採用したモータのロータは小型のため慣性モーメントが小さく、回転数変動が大きくなって上記の問題が顕著になる。このため、センサレスベクトル制御により駆動される１シリンダ形ロータリ電動圧縮機には、希土類磁石を採用し難い。
【００１５】
この発明は、上記の事情を考慮したもので、高速の演算処理を要することなく、また余分な部材を要することなく、ロータの慣性モーメントを大きくすることができ、これによりセンサレスベクトル制御による３相正弦波駆動の安定度が増して異常停止や効率の低下を回避することが可能な信頼性にすぐれた電動圧縮機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
請求項１に係る発明の電動圧縮機は、ロータおよびステータからなるモータを搭載し、かつ前記ロータが永久磁石を有するものであって、当該電動圧縮機の運転時の圧縮負荷トルク変動による角加速度が１０００（ｒａｄ／ｓ−２）以下となるように前記ロータを構成している。
【発明の効果】
【００１７】
この発明の電動圧縮機によれば、高速の演算処理を要することなく、また余分な部材を要することなく、ロータの慣性モーメントを大きくすることができ、これによりセンサレスベクトル制御による３相正弦波駆動の安定度が増して異常停止や効率の低下を回避することが可能となり、信頼性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、この発明の一実施形態について図面を参照して説明する。  
図１に示すように、１シリンダ形ロータリ電動圧縮機は、密閉ケース３１で覆われている。この密閉ケース３１の下部に吸込管３２が取付けられ、上部に吐出管３３が取付けられている。さらに、密閉ケース３１の上部にターミナル端子３４が設けられている。密閉ケース３１の内部には、電動機部としてブラシレスＤＣモータ４０が収容されているとともに、圧縮機構部５０が収容されている。
【００１９】
ブラシレスＤＣモータ４０は、ロータフレーム４１ａ、このロータフレーム４１ａの内側に回転自在に設けられたロータ鉄心４１ｂ、このロータ鉄心４１ｂの内周面にその周方向に沿って取付けられた４つの永久磁石４３からなるロータ４２、このロータ４２の内側に設けられたステータ４４、およびこのステータ４４の中心を通るシャフト４５からなる。シャフト４５の上部は上記ケース４１に結合されており、その結合により、ロータ４２の回転がシャフト４５に伝わる。
【００２０】
ステータ４４の外周面には、図２に示すように、複数の磁極歯４４ａが配列され、これら磁極歯４４ａに複数の相巻線４６が集中巻されている。ロータ４２は、図３に示すように、環状の多数枚の鋼板を積層してなる。ステータ４４の各相巻線４６に対する通電が順次切換えられることにより（転流）、各相巻線４６に順次に磁界が生じ、それとロータ４２の各永久磁石４３が作る磁界との相互作用により、ロータ４２に回転トルクが生じる。
【００２１】
圧縮機構部５０は、上記シャフト４５を支持するためのメインベアリング５１およびサブベアリング５２を有し、この両ベアリング５１，５２間にシリンダ５３を有している。シリンダ５３内にはシャフト４５の偏心部４５ａが収容される。この偏心部４５ａの外周にローラ５４が装着され、そのローラ５４の周りに圧縮室５５が形成される。圧縮室５５には吸込口５６が連通され、その吸込口５６に上記吸込管３２が連通されている。また、シリンダ５３において、圧縮室５５と対応する位置に吐出口（図示しない）が形成されている。
【００２２】
ブラシレスＤＣモータ４０が駆動されてロータ４２、ケース４１、およびシャフト４５が回転することにより、圧縮機構部５０のローラ５４が偏心回転し、圧縮室５５に吸入圧が生じる。この吸入圧によって吸込管３２から圧縮室５５に冷媒が吸込まれる。吸込まれた冷媒は圧縮室５５で圧縮された後、上記吐出口から密閉ケース３１内へ吐出される。密閉ケース３１内へ吐出された冷媒は、上記吐出管３３を介して上記冷凍サイクルに供給される。
【００２３】
密閉ケース３１の内底部には潤滑油（図示しない）が収容されている。この潤滑油は、圧縮機構部５０の機械的な潤滑作用を確保しながら、圧縮機構部５０を冷却する。
【００２４】
以上のように構成された１シリンダ形ロータリ電動圧縮機の負荷トルク変動を、２シリンダ形ロータリ電動圧縮機の負荷トルク変動と対比して示したのが図４である。すなわち、１シリンダ形は２シリンダ形に比べて負荷トルクの変動が大きく、１回転中の平均に対して１５０％程度の変動を有している。２シリンダ形は、１回転中の平均に対して３０％程度と小さい変動を有している。
【００２５】
家庭用の空気調和機に搭載される圧縮機の永久磁石ロータを含む回転系の慣性モーメントＪは、一般に、フェライト磁石を使用したものでは６×１０−４〜１．２×１０−３（ｋｇ・ｍ２）程度、希土類磁石を使用したものでは２×１０−４〜５×１０−４（ｋｇ・ｍ２）程度である。
【００２６】
運転中のモータ発生トルクがほぼ一定であるとすると、図４の例では最大で２．４（Ｎ・ｍ）程度のトルク差ΔＴが発生することになり、仮にフェライト磁石を使用していれば、角加速度ｄω／ｄｔ＝ΔＴ／Ｊより、２０００〜４０００（ｒａｄ／ｓ−２）程度の角加速が発生する。希土類磁石を使用していれば、４８００〜１２０００（ｒａｄ／ｓ−２）程度の角加速となる。
【００２７】
トルク差ΔＴは圧縮機の負荷条件によって変化し、負荷が大きいほど、圧縮比が大きいほど大きくなる。トルク差ΔＴに比例して角加速度も変化するが、全ての運転条件において駆動不安定減少が発生しないようにすることが望ましい。
【００２８】
そこで、角加速度と駆動不安定減少の関係に着目し、種々の試験を実施したところ、角加速度が１０００（ｒａｄ／ｓ−２）以下の場合に、位置推定演算の誤差による駆動不安定現象が発生することが判った。
【００２９】
運転時の圧縮負荷トルク変動による角加速度が１０００（ｒａｄ／ｓ−２）以下となるような永久磁石ロータを採用することにより、１シリンダ形ロータリ電動圧縮機におけるセンサベクトル制御の３相正弦波電圧駆動において、駆動不安定現象の発生を防止できる。
【００３０】
ただし、インナーロータ形のモータで、角加速度を１０００（ｒａｄ／ｓ−２）以下とするためには、非常に大きな永久磁石ロータを採用する必要がある。
【００３１】
これに対し、図１に示すように、ロータ４２がステータ４４の外側に配されたアウタロータ形のブラシレスＤＣモータ４０であれば、ロータ４２の外径が大きく、よって質量が外径寄りに偏り、その結果、慣性モーメントが大きくなる。
【００３２】
一般に、アウタロータ形は、インナーロータ形に対して数倍から十数倍の慣性モーメントとなる。慣性モーメントがＫ倍となると、発生トルクと負荷トルクの差による回転数変動は理論上１／Ｋ倍となり、アウタロータ形の永久磁石モータでは１回転中の速度変化率（角加速度）が非常に小さくなる。
【００３３】
この結果、適切な設計を行うことにより、運転時の圧縮負荷トルク変動による角加速度を容易に１０００（ｒａｄ／ｓ−２）以下に抑制することが可能であり、センサレスベクトル制御においける位置推定演算の誤差が減少し、これにより電流の脈動や位相の揺動が抑制されて、モータの効率の低下が防止される。
【００３４】
また、永久磁石４３として希土類磁石を採用して小形化を図った場合には、慣性モーメントが十分に大きくなるために運転時の圧縮負荷トルク変動による角加速度を容易に１０００（ｒａｄ／ｓ−２）以下とすることが可能であり、位置推定誤差の増大による問題は生じない。
【００３５】
以上の構成により、高速の演算処理を要することなく、また余分な部材を要することなく、ロータ４２の慣性モーメントを大きくすることができ、これによりセンサレスベクトル制御による３相正弦波駆動の安定度が増して異常停止や効率の低下を回避することが可能となり、電動圧縮機としての信頼性が大幅に向上する。しかも、希土類磁石の採用により、小形化および高効率化が図れる。
【００３６】
なお、上記実施形態では、ロータリ圧縮機を例に説明したが、レシプロ圧縮機にも同様に実施可能である。また、１シリンダ形圧縮機だけでなく、複数シリンダ形で１シリンダ運転可能な圧縮機にも沿うように実施可能である。
【００３７】
その他、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】一実施形態の内部の構成を示す図。
【図２】一実施形態の要部を上方から見た図。
【図３】一実施形態の要部を示す斜視図。
【図４】一実施形態における１シリンダ形ロータリ電動圧縮機の負荷トルク変動を、２シリンダ形ロータリ電動圧縮機の負荷トルク変動と対比して示す図。
【図５】従来の電動圧縮機の内部の構成を示す図。
【図６】図５の要部を上方から見た図。
【図７】図５の要部を示す斜視図。
【図８】一般的なセンサレスベクトル制御回路を示すブロック図。
【図９】図５のモータ駆動電流波形とロータ位置との関係および圧縮負荷トルクと回転数変動との関係を示す図。
【符号の説明】
【００３９】
３１…密閉ケース、３２…吸込管、３３…吐出管、４０…ブラシレスＤＣモータ、５０…圧縮機構部、４１ａ…ロータフレーム、４１ｂ…ロータ鉄心、４２…ロータ、４３…永久磁石、４４…ステータ、４４ａ…磁極歯、４５…シャフト、４６…各相巻線、５３…シリンダ、５４…ローラ、５５…圧縮室、５６…吸込口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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