(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源に接続される整流回路と、前記整流回路から直流電圧を受けるインバータ回路と、前記インバータ回路から交流電流を受け永久磁石と巻線を有する電動機とを備え、前記インバータ回路は、前記直流電圧を検知する直流電圧検知手段を有し、制動時には所定値に制御した、前記永久磁石の磁束とほぼ等しい位相の第１の電流成分と、前記直流電圧が所定範囲となるように制御した、前記永久磁石の磁束にほぼ直交する位相の第２の電流成分を前記電動機に供給するインバータ装置であって、前記インバータ回路は、前記直流電圧が所定以下であれば、設定速度と現在の電動機の速度が等しくなるように第２の電流成分を決めるインバータ装置。
【請求項２】
第１の電流成分は、永久磁石の磁束を弱める極性とした請求項１記載のインバータ装置。
【請求項３】
第１の電流成分は、永久磁石の磁束を強める極性とした請求項１記載のインバータ装置。
【請求項４】
第１の電流成分は、電動機の速度に応じて変化させる請求項１記載のインバータ装置。
【請求項５】
第１の電流成分は、高速では永久磁石の磁束を弱める極性、低速では永久磁石の磁束を強める極性とした請求項４記載のインバータ装置。
【請求項６】
インバータ回路は、第２の電流成分の範囲を制限する制限手段を有する請求項１〜５のいずれか１項に記載のインバータ装置。
【請求項７】
制限手段は、電動機の速度に応じて制限値を変化させる請求項６記載のインバータ装置。
【請求項８】
制限手段は、使用する全ての速度範囲内で、第１の電流成分の自乗と第２の電流成分の自乗の和が、電動機の減磁が発生しない範囲とした請求項７記載のインバータ装置。
【請求項９】
電動機は、回転子と３相の巻線を有する固定子と、前記回転子の位置を検知する位置検知手段を有し、前記位置検知手段は、無負荷時の前記３相巻線の任意の２線間の誘導起電力波形の零点を基準として、電気角３０度の倍数に対して、５度以上の差を有する位相に変化を有する信号を出力する請求項１〜８のいずれか１項に記載のインバータ装置。
【請求項１０】
電動機の負荷は、衣類を収納するドラムとした請求項１〜９のいずれか１項に記載のインバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば電気洗濯機などに使用され、電動機でドラムと言われるような回転体を駆動し、前記回転体を停止あるいは減速させる際に前記電動機を制動（ブレーキ）として作用させるインバータ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のインバータ装置は、直流電源を入力としたインバータ回路は、モータ電流を回転座標系のｑ軸電流とｄ軸電流に分けて制御するベクトル制御形インバータ回路とし、ブレーキトルクをｑ軸電流、回生エネルギーをｄ軸電流で独立した制御を行い、ｄ軸電流は、モータの力率、直流電源の入出力電流、直流電源への回生電力などが零近傍になるように制御するものである（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【０００３】
また、位置検出手段からの位置検出信号と、予め設定された電圧指令と位相指令と基づいて通電信号を形成する通電信号形成手段、および電圧検出手段を設け、前記電圧検出手段の出力に基づいて制動用の通電信号の位相指令または電圧指令を調整するものもある（例えば、特許文献３参照）。
【０００４】
図１４は、特許文献１に記載された従来のインバータ装置を示すものである。図１４に示すように、交流電源１、整流回路２、コンデンサ３を有する直流電源４と、ベクトル制御形のインバータ回路５と、電動機６と、電動機６の負荷となる洗濯槽７とから構成されており、制御回路８がインバータ主回路９を位置検出手段１０からの位置検出信号θを受け、回転座標系のｄ軸電流とｑ軸電流に分けて電動機６への電流供給を行う制御を行い、回転数制御回路１１は、設定速度Ｎ＊と回転数演算回路１２の出力値Ｎとの誤差からＩｑ＊値を決めて、制御回路８に出力するとともに、制動時においては直流電圧抑制回路１３の作用によって、所定の直流電圧値Ｅｄ１＊とコンデンサ３の直流電圧Ｅｄ１との誤差からＩｄ＊を決めて、制御回路８に出力する。
【０００５】
これによって、制動時には回転数制御手段１１から出力Ｉｑ＊によって制動のトルクが決まり、Ｎ＊値に対応した制動がなされると同時に、Ｉｄ＊が直流電圧抑制回路１３の動作によって、コンデンサ３に回生エネルギーによる充電から過電圧として印加されることを防ぐという動作を行わせているものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１３５４００号公報
【特許文献２】特開２００２−８４７８０号公報
【特許文献３】特開平１１−２７５８８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前記従来の構成では、位置検出手段１０のバラツキや、処理の過程で位置検出信号θが実際の値に対して誤差θｅを有するものとなった場合、電動機６のトルクと、制御回路８に入力されるＩｑ＊の関係が崩れたものとなり、特にＩｄ＊＜０の条件で電動機６を駆動している場合には、ほぼＩｄ＊にｓｉｎ（θｅ）を乗じた電流が、等価的にＩｑとして作用するものとなり、制動時においてはＩｑ＊に対する制動トルクの関係が崩れる結果、直流電圧の面からは、確かに回生エネルギーが零となる解の存在から、コンデンサ３の過電圧は防止できるものとはなるが、制御回路に入力されるＩｑ＊は減速の大きさに応じた負のトルクに対応した値であるが、制動（ブレーキ）として働くトルクの大きさ、すなわちブレーキの効き具合は、誤差θｅによって大きく変化するものとなってしまう。
【０００８】
ここで、回転数制御手段１１の応答速度が高い場合には、速度のフィードバックからＩｑ＊が調整される可能性もあるが、特に脱水時に洗濯槽など慣性モーメントが大きい負荷を駆動する場合には、Ｉｑ＊の急速な変化を許す応答性を持たせることは極めて困難となる。
【０００９】
同時に制動によって発生する回生パワーも電動機の速度と制動トルクの積に対応するものとなり、直流電圧抑制回路１３の動作によって、Ｉｄ＊が調整されることにより、回生パワーについては、コンデンサ３の過電圧を防ぐ動作はなされるが、結果としてＩｑ＊値が一定であっても、θｅによってモータ電流の絶対値も大きく変化するものとなり、インバータ主回路９の電流定格を超えたり、電動機６の減磁限界となる電流を超えてしまうなど、信頼性面でも課題を有していた。
【００１０】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、位置検出手段のバラツキなどによる位置検出信号の誤差がある場合でも、ブレーキトルクと電流値の変動を抑えブレーキ性能が安定で、信頼性の高いインバータ装置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】
【００１１】
前記従来の課題を解決するために、本発明のインバータ装置は、交流電源に接続される整流回路と、前記整流回路から直流電圧を受けるインバータ回路と、前記インバータ回路から交流電流を受ける、永久磁石と巻線を有する電動機を有し、前記インバータ回路は、前記直流電圧を検知する直流電圧検知手段を有し、制動時には所定値に制御した、前記永久磁石の磁束とほぼ等しい位相の第１の電流成分と、前記直流電圧が所定範囲となるように制御した、前記永久磁石の磁束にほぼ直交する位相の第２の電流成分を前記電動機に供給するインバータ装置であって、前記インバータ回路は、前記直流電圧が所定以下であれば、設定速度と現在の電動機の速度が等しくなるように第２の電流成分を決めるインバータ装置としたものである。
【００１２】
これによって、制動時に永久磁石の磁束の位相と第１の電流成分の位相に誤差が生じた場合、等価的に第１の電流成分の大きさに、その誤差の正弦を乗じた大きさの第２の電流成分が発生するものとなっても、電圧検知手段が検知する直流電圧が所定範囲となるように第２の電流成分が調整され、電流のかなりの部分を占める第１の電流成分は、所定値としていることから、結果として制動（ブレーキ）のトルクと、電流値が安定したものとなり、前記位相の誤差による制動トルク（ブレーキの効き具合）と、電流値が安定したものとなり、ブレーキ特性と電流値の安定が実現されるものとなる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のインバータ装置は、制動時に永久磁石の磁束の位相と第１の電流成分の位相に誤差が生じても、制動トルクと電流値を安定させ、制動トルクの高い安定性と信頼性が実現されるものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１におけるインバータ装置のブロック図
【図２】同インバータ装置の電流ベクトル図
【図３】同電動機の第１の電流成分Ｉ１ｍと損失の関係を示したグラフ
【図４】本発明の実施の形態２におけるインバータ装置のブロック図
【図５】同インバータ装置の第１の電流設定手段の特性を示したグラフ
【図６】同インバータ装置の位相誤差θεが正で低速時の制動中のベクトル図
【図７】同インバータ装置の位相誤差θεが負で低速時の制動中のベクトル図
【図８】本発明の実施の形態３におけるインバータ装置のブロック図
【図９】同インバータ装置の第１の電流設定手段の特性グラフ
【図１０】同インバータ装置の制限値発生手段の特性グラフ
【図１１】同インバータ装置の速度と電動機入力電流の最大値の関係を示したグラフ
【図１２】同電動機の誘導起電力と位置検知手段の波形図
【図１３】本発明の実施の形態４における電動機の誘導起電力と位置検知手段の波形図
【図１４】従来のインバータ装置のブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
第１の発明は、交流電源に接続される整流回路と、前記整流回路から直流電圧を受けるインバータ回路と、前記インバータ回路から交流電流を受ける、永久磁石と巻線を有する電動機を有し、前記インバータ回路は、前記直流電圧を検知する直流電圧検知手段を有し、制動時には所定値に制御した、前記永久磁石の磁束とほぼ等しい位相の第１の電流成分と、前記直流電圧が所定範囲となるように制御した、前記永久磁石の磁束にほぼ直交する位相の第２の電流成分を前記電動機に供給するインバータ装置であって、前記インバータ回路は、前記直流電圧が所定以下であれば、設定速度と現在の電動機の速度が等しくなるように第２の電流成分を決めるインバータ装置とすることにより、制動（ブレーキ）のトルクと、電流値が安定したものとなり、前記位相の誤差による制動トルク（ブレーキの効き具合）と、電流値が安定したものとなり、制動トルクの高い安定性と信頼性が実現されるものとなる。
【００１６】
また、直流電圧が過大とならない範囲で、速度制御が可能となり、制動動作も可能とすることができる。
【００１７】
第２の発明は、特に、第１の発明の第１の電流成分を、永久磁石の磁束を弱める極性とすることにより、電動機への入力電圧を抑えながら、制動トルクを高め、電流の安定性も確保することができる。
【００１８】
第３の発明は、特に、第１の発明の第１の電流成分を、永久磁石の磁束を強める極性とすることにより、電動機の振動を抑えながら、制動トルクを高め、電流の安定性も確保することができる。
【００１９】
第４の発明は、特に、第１の発明の第１の電流成分を、電動機の速度に応じて変化させることにより、広い速度範囲で、電動機の入力電圧の変化を抑えながら、大きい制動トルクを得ることができ、電流の安定性も図ることができる。
【００２０】
第５の発明は、特に、第４の発明の第１の電流成分は、高速では永久磁石の磁束を弱める極性、低速では永久磁石の磁束を強める極性としたことにより、高速では電動機の端子電圧を抑え、また低速では電動機の振動を抑え、いずれの速度でも大きな制動トルクと、高い電流安定性を確保することができる。
【００２１】
第６の発明は、特に、第１〜５のいずれか１つの発明のインバータ回路を、第２の電流成分の範囲を制限する制限手段を有する構成とすることにより、過渡的な過電流を防ぎ、信頼性の高いインバータ装置を実現することができる。
【００２２】
第７の発明は、特に、第６の発明の制限手段を、電動機の速度に応じて制限値を変化させる構成とすることにより、各速度における制動パワーが過大とならないように制御することが可能となる。
【００２３】
第８の発明は、特に、第７の発明の制限手段を、使用する全ての速度範囲内で、第１の電流成分の自乗と第２の電流成分の自乗の和が、電動機の減磁が発生しない範囲とすることにより、各速度条件での減磁の発生を抑え、信頼性の高いインバータ装置を実現することができる。
【００２４】
第９の発明は、特に、第１〜８のいずれか１つの発明の電動機を、回転子と３相の巻線を有する固定子と、前記回転子の位置を検知する位置検知手段を有し、前記位置検知手段は、無負荷時の前記３相巻線の任意の２線間の誘導起電力波形の零点を基準として、電気角３０度の倍数に対して、５度以上の差を有する位相に変化を有する信号を出力する構成とすることにより、精度が低く安価な位置検知手段での構成を可能とし、十分な信頼性を確保しながら、低価格のインバータ装置を実現することができる。
【００２５】
第１０の発明は、特に、第１〜９のいずれか１つの発明の電動機の負荷を、衣類を収納するドラムとすることにより、回生抵抗によるコストアップが小さく、洗濯中のドラムの急停止時や、脱水時の終了時の制動時の制動トルクが大きくかつ安定し、またインバータ回路から電動機への供給電流値のバラツキや変動を抑え、ブレーキ特性に優れ、信頼性の高いインバータ装置を実現することができる。
【００２６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２７】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるインバータ装置のブロック図、図２は、同インバータ装置の電流ベクトル図、図３は、同電動機の第１の電流成分Ｉ１ｍと損失の関係を示したグラフを示すものである。
【００２８】
図１において、２２０Ｖの交流電源２１に接続される全波形の整流回路２２と、整流回路２２から２８０Ｖの直流電圧Ｖｄｃを受けるインバータ回路２３と、インバータ回路２３の入力の直流電圧を安定させるためのコンデンサ２４と、インバータ回路２３の出力である交流電流を受ける電動機２５と、電動機２５の構成要素となる永久磁石２６、２７を有する回転子２８と、３相の巻線３０、３１、３２を有する固定し３３とを有するものとなっており、さらにホールＩＣを用いた位置検知手段３４が設けられたものとなっている。
【００２９】
なお、整流回路の構成としては全波の構成以外にも、例えば１００Ｖの実効値を有する交流電源から、２００数十Ｖの直流電圧が得られる倍電圧形のものを用いても良く、また直流電圧としてさらに高めの電圧が用いられるように、昇圧回路を併用した構成のものでも良い。
【００３０】
電動機２５の軸出力は、小プーリ３５、ゴム製のベルト３６を経て、小プーリ３５の８．２５倍の直径を有する大プーリ３７に伝えられ、洗濯物が入るドラム３８を回転駆動するものとなっており、ドラム３８は中に衣類を水とともに収納し、洗濯／脱水を行うドラム式洗濯機として動作するものとなっている。
【００３１】
ただし、ドラム３８はその回転軸がほぼ水平か、あるいは水平から２０〜３０度程度の傾きを持たせたりする、ドラム式洗濯機と称されるもののほか、ドラム３８の回転軸がほぼ垂直である縦型洗濯機と呼ばれるものも存在し、特に洗濯機に限定されるものではないが、洗濯機として動作するインバータ装置であっても、そのドラム３８の設け方は、様々なものを用いることができるものである。
【００３２】
インバータ回路２３は、ＩＧＢＴを用いた６石のスイッチング素子４１、４２、４３、４４、４５、４６、抵抗器４８、４９により構成され直流電圧Ｖｄｃを検知する直流電圧検知手段５０、ベクトル制御手段５２を設けており、ベクトル制御手段５２は、位置検知手段３４からの位相の信号θを用いて、永久磁石２６、２７によって電動機２５に生ずる磁束とほぼ等しい位相の第１の電流成分Ｉ１と、永久磁石２６、２７の磁束にほぼ直交する位相の第２の電流成分Ｉ２に分けて電動機２５に供給するものであり、入力されるＩ１＊およびＩ２＊と等しくなるように、スイッチング素子４１、４２、４３、４４、４５、４６のオンオフを制御するものとなっている。
【００３３】
一般にｄ軸電流とｑ軸電流の直交する２軸の電流値を制御する構成が、ベクトル制御で用いられるが、ベクトル制御手段５２は、それと同等のものであり、図１には図示されていないが、例えば３相それぞれの電流を抵抗器等で検知したものを、３相／２相変換によって、第１の電流成分（ｄ軸電流）と、第２の電流成分（ｑ軸電流）に分解し、それぞれが設定値Ｉ１＊、Ｉ２＊と等しくなるように制御していくことにより実現されるものである。
【００３４】
第１の電流設定手段５４は、ベクトル制御手段５２にＩ１＊（＜０）を入力することにより、制動時の第１の電流成分の値を設定するものである。速度検知手段５５は、位置検知手段３４の出力の位相信号θを微分することにより速度を計算し、出力信号ωを出力するものである。直流電圧誤差増幅器５７は、直流電圧検知手段５０からの信号と、直流電圧設定値Ｖｄｃ＊との差、すなわち誤差をＰＩ（比例、積分）のゲインを作用させて出力するものであり、制限手段５８によって制限を作用させた値がＩ２＊となって、ベクトル制御手段５２に入力されるものとなる。
【００３５】
本実施の形態においては、制限手段５８は、速度検知手段５５の出力ωを受けて制限値を変化するものとしている。
【００３６】
以上のように構成されたインバータ装置について、以下その動作、作用を説明する。
【００３７】
制動時において、まず第１の電流設定手段５４は、永久磁石２６、２７の磁束とほぼ等しい位相の第１の電流成分Ｉ１の設定値Ｉ１＊をベクトル制御手段５２に入力する。一方、ベクトル制御手段５２に入力されるＩ２＊については、直流電圧検知手段５０の検知により得られる直流電圧Ｖｄｃと、所定値Ｖｄｃ＊との誤差が直流電圧誤差増幅器５７によって演算され、制限手段５８を経るものとなる。
【００３８】
仮に設定値Ｖｄｃ＊と比較して、実際の直流電圧Ｖｄｃ、すなわちコンデンサ２４の電圧の方が高い状態になった場合には、Ｉ２＊値は、プラス方向に変化するものとなり、電動機２５は、機械負荷に対してトルクを出して仕事をする向きになるため、コンデンサ２４が放電される方向となって、フィードバック制御がかかるものとなる。逆に変化した場合は、やはりフィードバック制御により、負荷からの運動エネルギーを吸収するようにトルクが負となって、コンデンサ２４が充電され設定値Ｖｄｃ＊付近まで電圧が上昇することになる。
【００３９】
したがって、直流電圧Ｖｄｃは、ほぼ所定範囲となるように制御されるように、第２の電流成分が電動機２５に供給される状態となる。なお、ここで設定値Ｖｄｃ＊の値としては、力行時および制動時で制動トルクを発生していない状態において、交流電源２１の電圧変動があっても達することがないだけの高めの値である３５０〜４００Ｖとしている。
【００４０】
図２において、ｄｍ軸は電動機２５内の永久磁石２６、２７の磁束の向きを示し、ｑｍ軸はｄｍからちょうどπ／２進んだ軸を示しており、ｄｍ軸と同じ向きに巻線３０、３１、３２の起磁力が加わると、電動機２５内の磁束は強められる極性となる。また、破線で示しているｄｃ軸はベクトル制御手段５２が位置検知手段３４から検知している永久磁石２６、２７の位相であるが、一般に位置検知手段３４を構成するホールＩＣの取付け誤差や、信号処理時間、その他さまざまな要因により、ｄｍ軸に対して誤差θεを有している。
【００４１】
図２においては、θεはベクトル制御手段５２が用いる位相が、電動機２５より進んでいる方向がプラス符号となる。また、ｑｃ軸は、ｄｃ軸からπ／２進んだ軸を示している。
【００４２】
本実施の形態においては、第１の電流設定手段５４は、負の値、すなわち永久磁石２６、２７の磁束の向きと逆向きの起磁力が、巻線３０、３１、３２から発生するように、電流の制御を行うものものとしており、すなわち、第１の電流成分Ｉ１ｃは、永久磁石の磁束を弱める極性となる。
【００４３】
ただし、図２に示しているように、位相の誤差θεが存在するために、Ｉ１ｃは電動機２５から見た場合には、Ｉ１ｍとＩ２ｍの成分に分解され、永久磁石２６、２７の磁束を弱らせる作用を持つＩ１ｍ以外に、永久磁石２６、２７の磁束と直交し、トルクにつながる電流成分Ｉ２ｍ（＝Ｉ１ｃ×ｓｉｎθε）が発生することになり、θεが正である場合、Ｉ２ｍが負であることから、Ｉ２ｍは負となり、機械エネルギーを吸収する制動のトルクが発生することになる。
【００４４】
吸収された機械エネルギーは、電動機２５内で銅損あるいは鉄損として消費される部分やインバータ回路２３での損失となる分もあるが、回生パワーがそれらの損失より大となった場合には、コンデンサ２４に充電されるものとなる。つまり、位相の誤差θεが存在することにより、本来トルクにつながらないはずの第１の電流成分Ｉ１ｃによってトルクが発生することになる。
【００４５】
特に洗濯機と呼ばれ、衣類等の布を、水と共にドラム内に入れて回転させ、洗濯、脱水という動作を行うインバータ装置の場合、洗濯時には比較的低速でありながら大きなトルクを必要とし、一方脱水時には必要となるトルクは洗濯時と比較して小さいが、かなりの高速が必要とされるものであり、洗濯時の電動機２５の効率を十分高いものにするためには、巻線３０、３１、３２のインピーダンスが低く、永久磁石２６、２７による誘導起電力が高い特性が有利となる傾向があるが、そのように設計された電動機２５は、脱水時の高速運転時においては、永久磁石２６、２７による誘導起電力が、インバータ回路２３から出力可能な電圧を超えてしまうことになるため、第１の電流成分Ｉ１ｃとして、永久磁石２６、２７の磁束を弱める極性、すなわち負とする必要があるが、上述のように巻線３０、３１、３２を低インピーダンスに抑えた設計においては、インダクタンス値もかなり小さい値となっており、電動機２５の入力での電圧を抑えるためには、第１の電流成分Ｉ１ｃは−９Ａとなり、絶対値がかなり大となる。
【００４６】
さらに、本実施の形態においては、制動時におけるＩｃ１値を、より絶対値を高めたものとしている。
【００４７】
図３において、コンデンサ２４の過電圧を防止するための電力吸収のための抵抗器を用いない制動時においては、Ｉ２ｍ＜＜Ｉ１ｍとなる場合が多く、結果としてほぼＩ１ｍの自乗に比例した銅損が、電動機２５で発生するものとなる。
【００４８】
すなわち、電力吸収のための抵抗器を用いない制動時においては、コンデンサ２４の電圧を抑えるために、電動機２５の損失がなるべく大となることが、制動トルク（負トルク）の絶対値を大きく得る上で有利となることから、スイッチング素子４１、４２、４３、４４、４５、４６の電流定格として許され、かつ電動機２５内の永久磁石２６、２７の減磁が発生しない範囲で許容される値となるＩ１ｃ＝−１０Ａが、本実施の形態では設定されている。
【００４９】
巻線３０、３１、３２の抵抗値（ただし２相変換した値）が、１オームである場合、上記銅損は、Ｉ１ｃ＝−１０Ａとした場合に１００Ｗとなり、Ｉ１ｃ＝−９Ａの場合より、１９Ｗ大きい損失が電動機２５に発生するものとなり、その分制動トルクとして大きいものが得られる状態になる。
【００５０】
このようにＩ１ｃの絶対値が大きい場合、比較的絶対値が小さいθεでも大きなトルクが発生するものとなり、通常ベクトル制御手段５２を設ける理由の一つとして、トルク制御、すなわち電動機２５のトルクの設定が第２の電流成分Ｉ２ｃの設定によって、確実に行えるというものがあるが、θεの存在により、その期待は捨てるべきものとなる。
【００５１】
このような状況において、本実施の形態では、Ｉｍ２（＝Ｉｃ１×ｓｉｎθε）の発生があっても、直流電圧検知手段５０、直流電圧誤差増幅器５７の作用によって、直流電圧Ｖｄｃの制御がなされる結果、上記Ｉｍ２（＜０）を打ち消すＩ２ｃ（＞０）がＩ２＊値として自動的に発生し、その上さらに制動トルク分の負Ｉ２ｃ分が加えられたものなる。
【００５２】
なお、インバータ回路２３から電動機２５に出力されるＩ１ｃとＩ２ｃの合成ベクトルのＩ１ｍ成分は、Ｉ１ｃに対してはわずかな誤差を持つが、θεの絶対値が１０度程度以下であれば、ほとんど全くと言って良いほど無視しうる値となり、電動機２５の損失値の変動が抑えられることから、制動トルクへの影響もわずかなものに抑えることができるものとなる。
【００５３】
このようにして、本実施の形態においては、永久磁石２６、２７の磁束を弱める極性の第１の電流成分（＜０）を所定値として設定することから、位置検知手段３４の誤差などによって位相誤差θεが存在しても、インバータ回路２３から電動機２５に供給される電流値は安定した値となり、インバータ回路２３の構成要素であるスイッチング素子４１、４２、４３、４４、４５、４６の過電流や、永久磁石２６、２７の減磁を防ぐことができ、高い信頼性を確保することができ、かつ制動トルクとしてもθεの影響をほとんど受けない値となるため、制動（ブレーキ）の効き方も安定したものが期待できる。
【００５４】
（実施の形態２）
図４は、本発明の第２の実施の形態におけるインバータ装置のブロック図、図５は、同インバータ装置の第１の電流設定手段の特性を示したグラフ、図６は、同インバータ装置の位相誤差θεが正で低速時の制動中のベクトル図、図７は、同インバータ装置の位相誤差θεが負で低速時の制動中のベクトル図を示すものである。
【００５５】
図４においては、実施の形態１とは一部異なるインバータ回路６０を設けている。すなわち、インバータ回路６０の一構成要素となる第１の電流設定手段６１は、速度検知手段５５の出力信号ωを入力し、速度ωに応じて出力を変化させたＩ１＊を、ベクトル制御手段５２に入力するものとなっており、その他の構成要素については、実施の形態１と全く同等である。
【００５６】
図５において、横軸の値は電動機２５の回転角速度ωの代わりに、ドラム３８の速度（毎分の回転数［ｒ／ｍｉｎ］）で示している。本実施の形態においては、第１の電流設定手段６１は、比較的低速の場合にはＩ１＊をプラスとし、比較的高速の場合には、Ｉ１＊をマイナスとしており、その切り替わりの速度条件である、ドラム速度４００ｒ／ｍｉｎ、５００ｒ／ｍｉｎにはヒステリシスを設けたものとしており、なおかつ絶対値もドラム速度に応じて若干変化させたものとなっている。
【００５７】
従って、本実施の形態においては、低速の範囲では、第１の電流成分を永久磁石の磁束を強める極性とし、高速の範囲では、第１の電流成分を永久磁石の磁束を弱める極性とし、第１の電流成分を、電動機２５の速度に応じて変化させるものとなる。
【００５８】
以上のように構成されたインバータ装置について、以下その動作、作用を説明する。
【００５９】
制動時において、図５に示すように、第１の電流設定手段６１が速度ωに応じたＩ１＊を出力するが、ドラム速度が１３００ｒ／ｍｉｎ以上の高速の範囲では、Ｉ１＊は−１０Ａに固定された状態となり、実施の形態１で説明した動作となる。
【００６０】
制動の動作によって、ドラム３８の速度が低下し、１３００〜４００ｒ／ｍｉｎとなる範囲においては、Ｉ１＊は−１０〜−５．５Ａのように符号が負のままで、絶対値を減少させるものとなる。制動時の電動機２５の損失は、かなりの比率で銅損が占めており、かつ第１の電流成分Ｉ１が、第２の電流成分Ｉ２に対して、絶対値がかなり大きいという状態であれば、電動機２５の損失、すなわち制動の機械パワーは、ほぼＩ１によって決まるという性質があり、低速度ほど、制動トルクが大きいものとなる。
【００６１】
騒音や振動の問題が発生しない場合には、速度が低下するにつれて制動トルクを強めていく構成でも良いが、機構的に制動トルクが大となった場合に、例えばベルト３６が騒音を発生させるということもあり、本実施の形態においては、図５の１３００〜４００ｒ／ｍｉｎに示すような、Ｉ１＊の絶対値が低速度になるほど小とする特性を持たせることにより、制動による減速が進んだ状態で、電動機２５の損失、すなわち制動パワーを低下させ、過剰な制動トルクの発生を抑え、ベルト３６などからの騒音や振動を抑える作用を持たせている。
【００６２】
なお、負のＩ１＊は、電動機２５に供給する電圧を抑える作用をするものであるが、低速となる程、永久磁石２６、２７による誘導起電力が低下することから、電動機２５の入力電圧として過剰なものが必要となるということは、十分避けることができる。
【００６３】
さらに制動が続き、ドラム速度が４００ｒ／ｍｉｎに達した時点で、Ｉ１＊は正に転じるものとなり、永久磁石の磁束２６、２７の磁束を強める極性での動作となる。
【００６４】
逆にドラム速度の検知が上昇した場合にＩ１＊が再び負となる条件としては、５００ｒ／ｍｉｎとしているため、ドラム速度の検知に多少の雑音成分が入った場合でも、頻繁なＩ１＊値の正／負切換動作が不要に行われることを防いでいるが、制動のみであれば、負から正のみとし、正から負への切換は無い構成にしてもよい。
【００６５】
発明者らによる実験によると、低速の場合にＩ１＊を負の状態に保つと、ドラム３８の回転ムラや振動が大きくなることが確認されている。その原因は、Ｉ１＊が負の場合には、位置検知手段３４の信号の周期が長くなり、その間の加／減速により位置検知の誤差（位相誤差θε）が大きくなる低速の条件において、位置検知誤差によって生ずるトルクが、よりθεを広げるように作用することがあげられる。
【００６６】
本実施の形態においては、低速の条件においては、Ｉ１＊＞０とした、強メ界磁の条件とすることにより、逆に位相誤差θεが抑えられる向きに作用させるものとしている。
【００６７】
図６において、θε＞０の状態とは、制御に対して電動機２５が遅れている状態となる。位相誤差θεにより、Ｉ１＊に等しく制御されたＩ１ｃに対して、電動機２５では、ｓｉｎθεを乗じた値のＩ２ｍ＞０が生じ、電動機２５を加速する方向、減速中においては減速を緩める方向に作用するものとなり、制御に対する電動機２５の遅れは縮まる方向の復元力となる。
【００６８】
図７において、θε＜０の状態とは、制御に対して電動機２５が進んでいる状態となる。位相誤差θεにより、Ｉ１＊に等しく制御されたＩ１ｃに対して、電動機２５では、ｓｉｎθεを乗じた値のＩ２ｍ＜０が生じ、電動機２５をより減速する方向に作用するものとなり、やはり制御に対する電動機２５の進みは縮まる方向の復元力となる。Ｉ１＊＞０は、このように復元力が作用する条件を生み出すことができるものとなり、θεの振動を抑えることができる。
【００６９】
なお、電動機２５の損失については、前実施の形態の説明で図３に示したように、正／負のＩ１ｍ（Ｉ１＊とほぼ等しい）に対して、ほぼ同等の値となるため、電動機２５内部の損失となるブレーキパワー（制動の仕事率）としては、Ｉ１ｍ＝０条件よりも高いものが得られるものとなる。
【００７０】
以上のように、本実施の形態のインバータ装置は、永久磁石２６、２７の回転による誘導起電力が高い高速時には、電動機２５の入力電圧が過大とならないようにしながら、大きな制動トルクが得られるとともに、低速時でも振動が少なく、安定した動作が実現でき、信頼性、安全性が高く、低騒音・低振動のインバータ装置を実現することができるものとなっている。
【００７１】
（実施の形態３）
図８は、本発明の第３の実施の形態におけるインバータ装置のブロック図、図９は、同インバータ装置の第１の電流設定手段の特性グラフ、図１０は、同インバータ装置の制限値発生手段の特性グラフ、図１１は、同インバータ装置の速度と電動機入力電流の最大値の関係を示したグラフ、図１２は、同電動機の誘導起電力と位置検知手段の波形図を示すものである。
【００７２】
図８においては、実施の形態１や実施の形態２とは一部異なるインバータ回路６３を設けている。第１の電流設定手段６４は、力行時関数発生器６６、制動時関数発生器６７、切換手段６８を有し、力行時関数発生器６６と制動時関数発生器６７は、いずれも速度検知手段５５の出力信号ωを受け、切換手段６８は、力行時にはａ、制動時にはｂに切換がなされ、いずれかの関数値を選択した値を、Ｉ１＊としてベクトル制御手段５２に入力するものとなっている。
【００７３】
図９において、破線ａが力行時、実線ｂが制動時に用いられるものとなる。
【００７４】
さらに、本実施の形態では、速度設定手段７０、力行時と制動時に切換を行う設定速度切換手段７１を設け、選択された設定速度ω＊が、速度誤差増幅器７２に入力され、速度誤差増幅器７２の出力は、第２の電流成分の範囲を制限する制限手段７３を経てＩ２＊としてベクトル制御手段５２に入力するものとなっている。
【００７５】
速度設定値ω＊については、制動時には零とされるものとなり、速度誤差増幅器７２の出力は負、すなわち制動トルクを要求するようＩ２＊を引き下げるものとなる。本実施の形態において、制限手段７３は、リミッタ７４、制限値発生手段７５、高位選択器７６によって構成されている。なお、速度誤差増幅器７２は比例分（Ｐ）と積分分（Ｉ）それぞれに所定のゲイン（利得）を設定しており、デジタル計算により、出力が得られるものとっている。
【００７６】
制限値発生手段７５は、速度検知手段の出力値ωの関数として、第２の電流成分の上限値Ｉ２ｐと下限値Ｉ２ｎを出力するものであり、図１０において、破線で示している上限値Ｉ２ｐは正の符号を持ち、実線で示している下限値Ｉ２ｎは負の符号を持つものとしている。
【００７７】
上限値Ｉ２ｐは、直接リミッタ７４に入力され、力行時にＩ２＊を制限することにより、力行トルクの制限、また電動機２５への電流制限を行うものとなる。下限値Ｉ２ｎについては、本実施の形態においては、直流電圧誤差増幅器５７の出力と共に、高位選択器７６に入力され、いずれか高い方の値が選択されて、リミッタ７４に入力されるものとなっている。
【００７８】
その他の部分の構成については、前実施の形態と同等のものとなっている。
【００７９】
以上の構成において、本実施の形態のインバータ装置は、制限手段７３は、電動機２５の速度に応じて制限値を変化させるものとなっている上に、直流電圧Ｖｄｃが所定範囲Ｖｄｃ＊およびそれ以下であれば、速度誤差増幅器７２の出力が有効となり、設定速度ω＊と現在の電動機２５の速度ωが等しくなるように、第２の電流成分Ｉ２＊が決められる構成となっている。
【００８０】
また、図９に示すように、第１の電流設定手段の特性は、本実施の形態のインバータ装置として使用する範囲となるドラム速度１７００ｒ／ｍｉｎ以下のいずれの速度においても、制動時における第１の電流設定手段の絶対値は、力行時のそれよりも大きく、よって制動時においては大きな損失を電動機２５に発生させることができ、直流電圧Ｖｄｃ＊が過電圧とならない範囲で、より大きな制動トルクが得られるものとなり、一方力行時においては、直流電圧Ｖｄｃの制限の下で、なるべく電動機２５の損失が小さく、効率の高い運転ができるような条件の設定がなされるものとなる。
【００８１】
図１１において、破線ａは力行時、実線ｂは制動時を示すものであるが、この図１１は、図９と図１０の特性から計算されるものである。
【００８２】
すなわち、電動機２５の入力電流Ｉａの絶対値は、第１の電流成分Ｉ１＊と第２の電流成分Ｉ２＊のベクトル和となり、両者をそれぞれ自乗したものを合計した値の平方根で計算される値をプロットしたものが図１１となる。
【００８３】
位置検知手段３４の要因などによる位相誤差θεが存在した場合には、入力電流Ｉａ位相は、ズレが生ずるが、Ｉａの絶対値としては不変である。
【００８４】
そこで、図９に示す第１の電流設定手段６４と、図１０に示す制限手段７３の特性に関して、使用する全ての速度範囲内で、第１の電流成分の自乗と第２の電流成分の自乗の和が、電動機２５の減磁が発生しない範囲、すなわち１３Ａ以下とすることにより、本実施の形態のインバータ装置は、過電流による電動機２５の減磁を予防することができ、高い信頼性を確保できるものとなる。
【００８５】
本実施の形態において、電動機２５は、回転子２８と、Ｙ結線（またはスター結線）で構成した、３相の巻線３０、３１、３２を有する固定子３３を有しているが、３相の入力端子を開放した状態で、外部の原動機により、回転子２８を回転させた場合には、図１２（ア）に示すＵ、Ｖ、Ｗの各電圧が、中性点Ｍから発生するものとなり、無負荷誘導起電力などと呼ばれることもある。
【００８６】
図１２（イ）は、中性点Ｍからではなく、線間で示したものであり、スター結線されていても、中性点Ｍは一般に電動機２５の外には引き出さない場合が多いが、図１２（イ）に示す線間の電圧波形は、観測が可能であり、図１２（ア）の各電圧の零点と電気角３０度ずれた位相で、線間の誘導起電力の零点が存在する関係となる。
【００８７】
図１２（ウ）は、回転子２８の位置を検知するために設けられた位置検知手段３４の出力信号波形であり、本実施の形態においては、磁気的に検知する３個のホールＩＣを用いており、各ホールＩＣからの信号は、論理１または０となり、それぞれ図１２（ウ）のＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３に示されているように、電気角１２０度ずつずれたものとなっているが、３つの信号を合わせて考えると、信号が変化する位相、すなわち論理が１から０に変化するか、逆に０から１に変化する位相は、３つの線間の組み合わせの一つであるＵ−Ｗ線間の誘導起電力波形の零点Ｚを基準とすると、８度、６８度、１２８度、１８８度・・・というように、６０度の倍数＋８度の位相にある。
【００８８】
なお、図１２の最も下に示している横軸の位相の目盛は、中性点Ｍから見たＵ端子の誘導起電力の零点の内の電圧が正から負に移る側の零点を零とした電気角で示しているものであり、位相零の状態においては、永久磁石２６、２７はＮ極の永久磁石２６が、ちょうどＵ端子から中性点Ｍに向かって電流が供給された状態におけるＵ相の巻線３０の起磁力と、等しい向きとなる位置に相当する。
【００８９】
このように、本実施の形態においては、位置検知手段３４は、無負荷時の３相巻線３０、３１、３２の任意の２線間の誘導起電力波形の零点Ｚを基準として、電気角３０度の倍数に対して、５度以上の差を有する位相に変化を有する信号を出力するものとなっている。
【００９０】
ここで、「電気角３０度の倍数」に関して追記すると、すべての倍数（１倍、２倍、３倍、・・・）に対応する出力を有することが条件となっている意味ではなく、とびとびの倍数に対応したものである。という意味である。
【００９１】
前記８度という値に関して、本来は標準が０度となるように設計したものが、機構的な取付位置のずれや、信号遅れなどによって発生しているものであり、特に電動機２５を低コストで実現しようとした場合、大きくなってしまう傾向にある。
【００９２】
発明者らの検討にて、例えば４極の電動機を用いる場合、電気角が３度以下であれば、従来の技術でもほぼ電流値、トルク値の変化を抑えることができるが、電気角のずれを５度以下に抑えようとすると、電動機のコストが相当に跳ね上がるという見積もりを受けており、特に低インダクタンスで脱水時などの高速回転時の第１の電流成分Ｉ１が、絶対値で数Ａを超えるような条件において、位置検知手段の電気角のズレが５度以上という電動機が利用しつつ、安定な制動トルクと電流値を確保することができるという効果は、非常に大きいものとなる。
【００９３】
すなわち、位相誤差０度であれば、位相誤差θεが零となるようにベクトル制御手段５２が構成されているため、図１２に示す特性においては、位相誤差θεは−８度となる。
【００９４】
しかしながら、ここで実施の形態１、実施の形態２でも説明したように、θεの存在があっても、制動時に直流電圧Ｖｄｃが、回生によって過剰に上昇しないように、Ｉ２ｃが発生するという制御動作が行われる結果、特に安価な電動機２５において、多少発生するθεの影響をキャンセルし、良好な制動動作が行われるものとなる。
【００９５】
なお、図１２に示しているのは、θεが負の値となる例であるが、逆にＺ点から６０度の倍数となる位相よりも早い位置で、位置検知手段３４の信号の変化がある場合には、θεは正となり、その場合にあっても、制動時のＶｄｃの制御がなされる結果、やはりθεによる影響がキャンセルされる形で、Ｉ２ｃが追従するものとなる。
【００９６】
ちなみに、ドラム式洗濯機として用いられるインバータ装置の場合には、ドラム３８の回転方向を、左／右交互に変えて洗濯動作をさせることもあり、図１２に示している回転の向きと逆に回転させた場合には、位置検知手段３４のズレは逆の進む位相で発生するものとなる。
【００９７】
また、制限手段７３によるＩ２ｃ値の制限が作用するため、制限の上限値、下限値の絶対値が小さい場合には、θεの大きなバラツキに対しては、対応困難となるので、設計する上では、それを考慮して上限値Ｉ２ｐ、下限値Ｉ２ｎを定めるものとなる。
【００９８】
（実施の形態４）
図１３は、本発明の第の実施の形態における電動機２５の誘導起電力と位置検知手段の波形図を示している。
【００９９】
本実施の形態は、実施の形態３に対して図１３（ウ）に示している位置検知手段３４からの出力信号ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３の論理が変化する位相のみが異なったものとなっている。本実施の形態においては、Ｕ−Ｗ線間の誘導起電力波形の零点Ｚを基準とすると、２０度、８０度、１４０度、２００度・・・というように、３０度の倍数−１０度の位置に信号の変化が存在する位置検知手段の出力となっている。
【０１００】
本実施の形態においては、前実施の形態と比較すると、誘導起電力波形の零点Ｚと同位相の信号の変化点は無く、電気角３０度ずれた位相に、標準的な変化点を設ける形で設計されたものであり、ちょうど図１３（ア）に示すスター結線されている相電圧の零点と同位相に信号変化点を位置させる設計となっている。
【０１０１】
このような位置検知手段の設計は、インバータ回路に古典的な電気角１２０度の矩形波通電を用いる構成との整合性では不向きではあるが、回転方向正／逆に対する論理は前実施の形態と同様に確保できるものとなることから、このような位置検知手段の設計もよく用いられるものとなる。
【０１０２】
ただ、本実施の形態においても、安価なる電動機を実現するためには、位相誤差は同様に存在するものとなり、特に本実施の形態においては、図１３（ウ）に示す位置検知手段３４の出力は、位相が電気角１０度進んでいるものとなっているため、位相誤差θεは＋１０度となる。
【０１０３】
本実施の形態においても、θε＝０で理想的なベクトル制御ができるよう設計されたベクトル制御手段５２を用いた状態において、やはり実施の形態１や実施の形態２で説明した直流電圧Ｖｄｃの制御がなされる結果、制動時に直流電圧Ｖｄｃの過剰な上昇を抑えた良好な制動動作が行われるものとなる。
【０１０４】
以上のように、本実施の形態のインバータ装置は、無負荷時の３相巻線３０、３１、３２の任意の２線間の誘導起電力波形の零点Ｚを基準として、電気角３０度の倍数に対して、５度以上の差を有する位相に変化を有する信号を出力するもので、安定した制動動作が行えるものとなり、安価でありながら、制動時のトルクが過大となって騒音が発生したり、減磁を起こすような過電流が流れるなどして故障に至ったりすることを防止することができ、低騒音で、信頼性が高いインバータ装置を実現することができるものとなる。
【産業上の利用可能性】
【０１０５】
以上のように、本発明にかかるインバータ装置は、過大な直流電圧の発生を防ぎながら、制動時の電流値と制動トルクが安定となり、信頼性の確保と優れた制動性能を得ることが可能となるので、一般家庭において使用される洗濯機等の用途にも適用できる。
【符号の説明】
【０１０６】
２１    交流電源
２２    整流回路
２３    インバータ回路
２６，２７    永久磁石
３０，３１，３２    巻線
２５    電動機
５０    直流電圧検知手段
５８    制限手段
２８    回転子
３３    固定子
３４    位置検知手段
３８    ドラム
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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